REDUCCION DEL CONSUMO DE AGUA EN EDIFICIOS...

Reducción del Consumo de Agua en Edificios Mediante Implementación de Sistemas Automáticos

4 UTP-2012 - RUBEN SANDOVAL & ANTHONY CAMPOS

PROYECTO DE INGENIERIA DE SISTEMAS I UTP

INTRODUCCIÓN El agua un recurso fundamental para la vida. Este recurso es ampliamente utilizado en

diversos ámbitos como el domestico, industrial y agrícola.

En el siglo XXI grandes regiones del planeta padecerían de escasez extrema de agua: En el

año 2025 habrían más de treinta países (800 millones de personas) con disponibilidad de

agua menores a 1000 m3/hab./año1

.

La escasez del agua provoca:

o Degradación del suelo, la sequía y la desertificación están vinculadas a niveles más

bajos de los ríos, lagos y acuíferos, lo que afecta a la cantidad y la calidad de la

oferta de agua dulce.

o Limitación de la expansión y producción agrícola e industrial.

o Racionamiento del agua en el sector poblacional.

El calentamiento global viene afectando a casi

todos los países del planeta, en el Perú el

calentamiento global es un factor que influye en

nuestro panorama hídrico, es decir, en los últimos

30 años han desaparecido el 25% de los glaciares

andinos con un impacto negativo en el caudal de los

ríos y por ende en la producción hidroeléctrica, en la

agricultura, población e incluso en el turismo2

.

En este contexto, es una tarea fundamental crear herramientas para lograr el uso

responsable y eficiente del agua. Actualmente con el desarrollo y aplicación de las

tecnologías es posible gestionar de una manera adecuada y optima este valioso recurso en

casas y edificios, permitiendo así ahorrar costos de consumo, cuidar y preservar el recurso

hídrico para las futuras generaciones.

1 Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente - http://www.pnuma.org/ 2 Blog Juan Arellano: Aguas revueltas, la problemática del agua en el Perú - http://www.arellanojuan.com/aguas-revueltas-la-problematica-del-agua-en-el-peru/

http://www.pnuma.org/�

http://www.arellanojuan.com/�

http://www.arellanojuan.com/aguas-revueltas-la-problematica-del-agua-en-el-peru/�






El edificio Guernica ubicado en la Av. Reducto 1091, Miraflores,

Lima es un edificio moderno concebido como un espacio para la

comodidad, cuenta con 134 departamentos distribuidos en sus 17

pisos, acondicionado con 2 salones de usos múltiples, un lujoso

hall de ingreso y cuatro ascensores de alta velocidad. Dada la

complejidad de esta Infraestructura típica, en edificios actuales, es

difícil gestionar de manera adecuada el uso del servicio de agua

empleando métodos convencionales por lo que es necesario hacer

uso de herramientas tecnologías para una gestión automática de este recurso en la

totalidad del edificio.




CAPÍTULO 1: EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del Problema

Reducción del nivel de ahorro en el consumo de agua en

m3 mediante la implantación de un sistema de control

automático de gestión de agua en el edificio multifamiliar

Guernica, Miraflores, Lima

Parámetros

Carrera Ingeniería de Sistemas.

Área Tecnología.

Asignatura/Especialidad Control Automático de Recursos.

Temas Reducción del consumo de agua aplicando

procesos de automatización controlados por

software y hardware

Temas Específicos Reducción de costos en el consumo de agua.

Situación Problemática

Gestión óptima y eficiente del agua en edificios

multifamiliares mediante la aplicación de

tecnología orientada al control automático con

el objetivo de lograr una reducción en el

consumo, reducción en costos de consumo y

uso eficiente del recurso hídrico.




1.2. Formulación del Problema En el año 2025, 3 mil millones de personas podrían

carecer de los requerimientos básicos de agua vital.

Asimismo, es previsible que el agua se convierta en

uno de los principales temas de conflicto a lo largo

de este siglo; es urgente dar respuesta a la meta 10

de los objetivos del milenio, la cual se refiere a

resolver el problema de escasez del agua3

.

El agua no es sólo es un factor determinante para el funcionamiento de los

ecosistemas, sino un asunto crítico para el desarrollo de las naciones. Es por ello que

su cuidado es sumamente imprescindible. En el Perú hay variedad de cuerpos de

agua distribuidos en ríos, lagos, lagunas y manantiales. Sin embargo un problema

importante es el abasto y su distribución.

En la actualidad en el país se vive

en un ambiente de un incremento

muy desmesurado de la

construcción de edificios

multifamiliares, el sector

construcción crece a tasas

superiores al 10%, vale decir a

ritmos mayores que la tasa de

crecimiento del PBI global. Tal es

así que desde el año 2006 creció en más del 14% anual, excepto en el año 2009

cuando cayó al 6% causado por la crisis financiera internacional, pero

inmediatamente se recuperó hasta alcanzar en el año 2010 una tasa superior al 17%.

Los años subsiguientes continuó creciendo, aunque con menor velocidad4

.

3 Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente - http://www.pnuma.org/ 4 BCRP e INEI: EL BOOM DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION EN EL PERU - http://www.inei.gob.pe/ - http://www.bcrp.gob.pe/estadisticas.html




Un gran número de estas edificaciones no usan sistemas de control que permita

gestionar de manera adecuada el consumo del recurso hídrico, en consecuencia hay

mucha perdida del líquido elemento lo cual repercute grandemente en el ecosistema y

además genera gastos elevados e innecesarios en la economía de los ciudadanos.

A pesar de los constantes esfuerzos de las instituciones el agua se desperdicia

constantemente. En los edificios y casas el mayor desperdicio de agua se da en las

regaderas, inodoros, y válvulas de salida (caños). Esto podría ser evitado con el uso

de herramientas tecnológicas que permitan controlar de manera eficaz el consumo de

este recurso.

1.3. Objetivos de la investigación

Objetivo General

o Determinar el nivel de ahorro en el consumo de agua en m3 con la

implantación de sistemas de control automático que gestionen de manera

optima y automática su distribución en el edificio multifamiliar Guernica,

Miraflores, Lima.

Objetivos Específicos o Diseñar e integrar un prototipo de software de control automático que permita

gestionar el consumo agua utilizando sensores, PLCs y lenguaje de

programación java.

o Exponer las características y beneficios de las tecnologías aplicadas al control

automático en nuestra realidad.

o Aportar al cuidado del entorno ecológico y conservación del recurso hídrico

para las próximas generaciones.

o Acercar a la población a la utilización de herramientas tecnológicas para la

gestión eficiente del recurso hídrico.




1.4. Justificación de la Investigación

El agua es un recurso vital para la vida. A pesar de esta realidad en la actualidad de

toda el agua potable que se produce en el país, el 42% se pierde principalmente por el

mal uso, fugas y conexiones clandestinas. Por hacer una comparación, mientras que

en el Perú se pierde 42% de agua potable, en países del primer mundo como Japón,

el porcentaje de pérdida es solo de 3,5% en Alemania 5%, incluso en países

latinoamericanos como México se pierde solo 17%

Porque?

5

.

Una de las causas más importantes y comunes

es el desperdicio de agua debido a una

inadecuada gestión, lo cual permite que agua

fluya sin control; Por ejemplo el inodoro es el

sistema sanitario donde se pierde más agua, la

perdida en un inodoro malogrado pude llegar a

ser cercano a 5000 litros al día5.1, lo cual

también representa un costo adicional. Pero más allá del costo que implica, se está

arrojando al desagüe, agua tratada apta para consumo humano sin darle ningún uso.

Esto nos lleva a hacernos algunas interrogantes como:

- ¿Somos conscientes de la importancia de este recurso en nuestra vida diaria?

- El costo que pagamos por el agua, ¿es realmente lo que consumimos?

Actualmente, en el ámbito internacional, existen soluciones,

basadas en aplicación de tecnología, para el problema de

gestión óptima del agua en edificios pero aún están muy

alejadas de nuestra realidad y son poco aplicables debido a la

complejidad y a que requieren grandes inversiones de dinero e

infraestructura específica6

.

5 SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento - http://www.sunass.gob.pe/publicaciones.php 5.1 RPP PUBLICACIONES : Septiembre 2010, 6 CEDOM : Asociación española de Domótica - http://www.cedom.es/




Con la aplicación de la tecnología, se puede reducir los costos de consumo y

optimizar la gestión del líquido elemento; para ello se plantea brindar soluciones en el

área de la Inmótica del agua orientada a la gestión integral del agua en la edificación y

Para qué?

los puntos de consumo, con lo cual se lograra el control automático del agua en sus

variables: caudal y consumo.

Para la gestión integral del agua en los edificios se contara de una serie de

componentes mecánicos y electrónicos más un software de gestión que permiten

conocer, gestionar, optimizar y establecer políticas de eficiencia. Además posibilita

llevar a cabo cortes puntuales de suministro, realizar limpiezas preventivas

controladas, detectar y ayudar a eliminar el 100% de las fugas e informar sobre el

consumo exacto en cada punto de toma de información.

En consecuencia, se logra una gestión adecuada y eficiente del recurso hídrico en

edificios multifamiliares permitiendo la reducción de costos de consumo y reducción

de desperdicios al máximo. De esta manera aportando significativamente al bienestar

de la economía de los ciudadanos, cuidado del medio ambiente y preservación del

equilibrio en los ecosistemas.

1.5. Limitaciones o Ámbito de aplicación: Edificio Guernica, Miraflores, Lima.

o El tema es poco estudiado y aplicado en nuestro medio, en consecuencia hay

muy pocos estudios previos de aplicación de tecnologías de control automático

en edificios.

o La comprobación y validación de hipótesis se va a realizar a través de un

prototipo de software.

o Poco conocimiento en el medio acerca de sistemas de control automático, por

parte de la población.

o Nivel cultural de la población y falta de conciencia en el ahorro de agua.




CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes de la Investigación

2.1.1. Caso de éxito7

“Implantación de Sistemas Automáticos de Gestión del Agua en España” Prevención de inundaciones, gestión de las sequías y gestión integral del

recurso hídrico.

Proyecto

El proyecto trata la implantación de sistemas automáticos de gestión del agua

en España.

Alcances

Creatividad y Tecnología S.A es una empresa de consultaría tecnológica con

30 años de experiencia. Dentro del ámbito del agua está altamente

especializada en planificación hidrológica, sistemas automáticos de gestión del

agua, sistemas de modernización de regadíos (operación remota y control) y

sistema tarifario.

Responsable del proyecto.

España tiene recursos hídricos renovables del orden de 111 000 mil

hectómetros cúbicos lo que supone alrededor de 2 700 m3 por habitante al

año. La distribución de los recursos hídricos es muy heterogenia debido a la

irregularidad de la climatología y las precipitaciones a lo largo de toda la

geografía nacional y a lo largo del año.

Problemática

Consecuencia de esta irregularidad es la existencia de episodios extremos

asociados como inundaciones y periodos de sequía que ponen en riesgo la

garantía del suministro de agua.

En España durante los últimos 500 años se han documentado al menos 2 400

inundaciones muchas de ellas catastróficas así entre los años entre 1950 y

1990 podemos contabilizar una media de 40 muertos al año, millones de

7 C&T Creatividad y Tecnología – Los Sistemas Automático de Gestión del Agua – España -http://www.cytsa.com




afectados y unas pérdidas económicas superiores a los 1900 millones de

dólares.

La rotura de una gran presa en el Levante Español en 1982 propicio que la

administración española decidiera implementar un sistema automático de

gestión hídrico a nivel nacional para cada una de las diferentes cuencas

hidrográficas. Así se comenzó a implementar el primer sistema automático,

sucesivamente desde 1985 hasta 1992 se fueron implantando estos sistemas

en las cuencas hidrográficas de la vertiente mediterránea, principales zonas

con riesgo de inundaciones.

A partir de 1995 se comienzan a implantar estos sistemas en el resto de

España esta vez incorporando nuevas tecnologías de desarrollo reciente como

las comunicaciones vía satélite; se trato de una puesta pionera en España con

el liderazgo tecnológico de Creatividad y Tecnología que ha participado en el

diseño y/o proyecto y/o control y vigilancia de todas las grandes cuencas

españolas.

Una vez visto el potencial y adaptabilidad de estos sistemas la administración

decidió en 1992 implantar redes de sistemas automáticos de gestión de

calidad de las aguas para controlar los parámetros de turbidez, oxigeno

disuelto, PH, conductividad, temperatura y otros.

La inversión realizada en España en la implantación de estas soluciones entre

1982 y el año 2009 ha sido de 1000 millones de dólares esta cifra contempla

tanto la construcción como los mantenimientos anuales de estos sistemas.

Costos e Inversión

Es este periodo de tiempo se han implantando estos sistemas en 8 cuencas

hidrográficas mediante la instalación de más de 2200 puntos de control.

Para la administración española se trata de una inversión totalmente justificada

y amortizada desde los puntos de vista; social, debido al drástico descenso de

las muertes por inundación; económico, propiciado por la reducción al mínimo

de las pérdidas materiales por inundaciones y sequías y medio ambiental

como consecuencia de la mejora en la gestión del agua y en la seguridad del

abastecimiento.




Creatividad y Tecnología como proveedor de servicios tecnológicos de alto

valor añadido ha demostrado la bondad de estos sistemas en entornos como:

Resultados

La planificación hidrológica y caudales ecológicos integrando:

• Modelos hidrológicos.

• Caudales ecológicos.

• Información y participación pública “on-line”.

La gestión integral del recurso hídrico incorporando:

• Modelos de explotación.

• Modelos de ayuda a la decisión.

• Modelos hidrometeoro lógicos.

• Modelos de dispersión de contaminantes.

La gestión de situaciones de emergencia implementando:

• Alarmas automáticas: protección civil y población.

• Estaciones de alerta temprana,

• Automatización de planes de emergencia en presas.

El mantenimiento de infraestructuras mediante sistemas de gestión del

mantenimiento asistido por computadora. Además, esta ha contribuido a

mejorar la gestión de otros sistemas relativos a:

• La potabilización y saneamiento.

• Las redes de abastecimiento.

• Las comunidades de regantes.

De acuerdo con la experiencia de Creatividad y Tecnología el coste anual del

mantenimiento y explotación de un sistema automático de gestión del agua es

aprox. del 2.5% de la inversión inicial en los conceptos de:

• Comunicaciones: infraestructuras y permisos;

• Instrumentación: caudal metros, niveles, pluviómetros;

• Software y licencias conllevan el mayor coste en el mantenimiento.




Creatividad y Tecnología apuesta por un buen diseño independiente de los

proveedores de equipos para diseñar sistemas extraordinariamente flexibles y

versátiles, lejos de la percepción muy extendida de ser paquetes cerrados,

sobredimensionados y muy caros.

o Sistemas modulares: Permitiendo la adición de nuevos elementos en

función del presupuesto disponible, necesidades del cliente y

disponibilidad tecnológica.

o Sistemas escalables: permitiendo la inclusión sucesiva de

infraestructuras sin costes excesivos, la ampliación del dimensionamiento

a futuras arquitecturas más ambiciosas, la reducción de procesos de

reingeniería, incorporación de escenarios futuros como los derivados del

cambio climático.

o Diseño de soluciones abiertas para huir de la cautividad del sistema:

soluciones “open source”, protocolos de comunicación e instrumentación

abiertos.

Para Creatividad y Tecnología los retos para el futuro de los sistemas

automáticos de gestión de recursos hídricos se pueden resumir en ampliar

funcionalidades “SmartBasin” teniendo en cuenta; costes ambientales, gestión

del riesgo; integración global de toda la información disponible incluyendo

ordenación territorial, modelos hídricos, comunidades biológicas afectadas,

organismos de protección civil, sistemas paneuropeos y panamericanos hasta

alcanzar redes de información internacionales y globales, integrar las

tecnologías de los sistemas de gestión del agua “SmartBasin” cuales

plataformas de las “SmartCities”, aumentar la presencia de diseños en base a

soluciones abiertas, potenciar el diseño independiente frente al llave en mano,

ir hacia mantenimientos más fiables y económicos.

Conclusiones

Los sistemas automáticos de gestión del agua constituyen una herramienta

esencial para:

• La prevención de inundaciones,

• La gestión de sequías y

• La gestión integral del recurso hídrico.




2.2. Bases Teóricas

Sistema de control automático, un sistema de control automático es una estructura

que ofrece a sus usuarios un conjunto coherente de herramientas y facilidades que

permite el control centralizado y/o remoto de aparatos y sistemas eléctricos y

electrotécnicos utilizando la tecnología existente como la electrónica,

telecomunicaciones, electricidad, robótica, etc.8

En la automatización de edificios, según la naturaleza y el uso las exigencias serán

muy diferentes, lo cual nos permite determinar inicialmente dos grandes grupos:

• Domótica, define la automatización de la vivienda, del hogar esté en una

vivienda aislada o enun piso de un inmueble, sea cual sea su grado y las

tecnologías empleadas.9

• Inmótica, define la automatización de edificios no destinados a vivienda, es

decir, oficinas, despachos, pequeño terciario y servicios en general.9

La aplicación de sistemas de automatización en edificios se hace con el objetivo de

obtener mejoras en:

• Seguridad y protección.

• Confort.

• Comunicación.

• Gestión de energía.

Un sistema de control automático se desarrolla tomando en cuenta los adelantos

tecnológicos tales como sistemas de control, PLCs, redes de sensores. Todos nodos

se comunican entre ellos y con un nodo central de forma que pueden cooperar entre

sí y trasmitir la información a otros sistemas de información.

8 Rodríguez Arenas, A. (2005). Instalaciones Automatizadas en Viviendas y Edificios. 9 Romero Morales, C. (2005). Domótica e Inmótica.




2.2.1. Estructura de unsistema automatizado

La amplitud de un sistema automatizado

puede variar desde un único dispositivo,

que realiza una sola acción, hasta

amplios sistemas que controlan

prácticamente todas las instalaciones

dentro de edificio. Los distintos

dispositivos de los sistemas

automatizados se pueden clasificar en

los siguientes grupos:

o Controlador – Los controladores son los dispositivos que gestionan el

sistema según la programación y la información que reciben. Puede haber

un controlador solo, o varios distribuidos por el sistema.

o Actuador – El actuador es un dispositivo capaz de ejecutar y/o recibir una

orden del controlador y realizar una acción sobre un aparato o sistema

(encendido/apagado, subida/bajada, apertura/cierre, etc.).

o Sensor – El sensor es el dispositivo que monitoriza el entorno captando

información que transmite al sistema (sensores de agua, gas, humo,

temperatura, viento, humedad, lluvia, iluminación, etc.).

o Bus – Es bus es el medio de transmisión que transporta la información

entre los distintos dispositivos por un cableado propio, por la redes de

otros sistemas (red eléctrica, red telefónica, red de datos) o de forma

inalámbrica.

o Interface – Los interfaces refiere a los dispositivos (pantallas, móvil,

Internet, conectores) y los formatos (binario, audio) en que se muestra la

información del sistema para los usuarios (u otros sistemas) y donde los

mismos pueden interactuar con el sistema.

Es preciso destacar que todos los dispositivos del sistema de domótica no

tienen que estar físicamente separados, sino varias funcionalidades pueden

estar combinadas en un equipo. Por ejemplo un equipo de Central de Domótica

puede ser compuesto por un controlador, actuadores, sensores y varios

interfaces.




Los sistemas automatizados actúan e interactúan con los aparatos y sistemas

eléctricos de la vivienda según:

El programa y su configuración.

La información recogida por los sensores del sistema.

La información proporcionada por otros sistemas interconectados.

La interacción directa por parte de los usuarios.

2.2.2. Clasificación de los sistemas automatizados10

Según sea la configuración empleada para implementar sus funciones, se

pueden diferenciar entre sistemas centralizados y sistemas descentralizados.

a. Sistemas centralizados

Son los sistemas en los que los elementos para controlar y supervisar

(sensores, válvulas, etc.) están conectados en único punto, generalmente a

la unidad de control central que contiene la inteligencia de todo el sistema y

la comunicación entre elementos pasa por tanto por la unidad central.

Los sistemas centralizados presentan dos inconvenientes:

- Para el fabricante la manera más fácil de suministrar productos que

operen con este diseño es mediante la producción del sistema completo.

Ello crea una dependencia de una sola marca, ya que no se asegura que

elementos de un fabricante puedan comunicarse con los de otros.

- El sistema de control es el corazón de la vivienda, lo que supone, que si

éste falta, todo deja de funcionar.

Esquema de Sistema automatizado Centralizado

10 Rodríguez Arenas, A. (2005). Instalaciones Automatizadas en Viviendas y Edificios.




b. Sistemas descentralizados En este tipo de sistemas existen diferentes elementos de control, cada uno

de ellosposee la capacidad de tratar la información que recibe y actuar en

consecuencia deforma autónoma. En estos sistemas los elementos de

control están lo más cercaposible de los elementos que se deben controlar.

Mediante este método se eliminan los dos problemas mencionados en el

sistemacentralizado. No existe una unidad de control central, y por tanto, el

usuario nodepende de un solo fabricante; por otra parte, la avería de

cualquier elemento noafecta al funcionamiento del resto. Además existen

otras ventajas, como la facilidad dereconfiguración del sistema, lo que

incide directamente en el grado de flexibilidad, y sobre todo en el ahorro de

cableado de la instalación. Al tratarse de sistemas máscaros también son

sistemas más potentes, que permiten implementar una grancantidad de

aplicaciones y servicios al usuario.

Como inconveniente, este sistema implica una estandarización de los

mensajes yla forma en que se han de transmitir: todos los equipos han de

ser capaces de recibir ycomprender los mensajes enviados por otros

elementos.

Esquema de Arquitectura de Sistema automatizado Descentralizado




2.2.3. Medios de transmisión

El medio de transmisión de la información, interconexión y control, entre los

distintos dispositivos de los sistemas de control automático pueden ser de varios

tipos. Los principales medios de transmisión son:

a. Cableado Propio

La transmisión por un cableado propio es el medio más común para este

tipo de sistemas, principalmente son del tipo: par trenzado, paralelo,

coaxial o fibra óptica.

b. Cableado Compartido

Se utilizan cables compartidos y/o redes existentes para la transmisión

de su información, por ejemplo la red eléctrica (corrientes portadoras), la

red telefónica o la red de datos.

c. Inalámbrica

Muchos sistemas automatizados utilizan soluciones de transmisión

inalámbrica entre los distintos dispositivos, principalmente tecnologías de

radiofrecuencia o infrarrojo.

Un sistema de control automático puede combinar varios de los sistemas

anteriores, debiendo cumplir los requisitos aplicables en cada parte del sistema.

2.2.4. Tipos de sistema automatizados11

a. Sistemas Automatizados Ad Hoc Estos sistemas están pensados para aplicaciones determinadas y su

configuración es muy limitada, como por ejemplo el control de intensidad

de una luminaria, el control de riego por temporizador, el encendido de

luminarias activadas por sensor de movimiento y así un número de

posibles ejemplos para casos concretos.

11 Saavedra Silveira, J. (2009). Domótica. Edificios Inteligentes.




La funcionalidad de los sistemas está limitada a la programación

establecida por fábrica, dejando poco margen de configuración por parte

del usuario, tan solo tendrá libertad para definir unos pocos parámetros,

por ejemplo, en un temporizador de regadío, el horario de encendido y de

apagado.

b. Sistemas Automatizados sobre Red Eléctrica de Baja Tensión

En este tipo de instalaciones domóticas, en Redes Eléctricas de Baja

Tensión, también conocidas como Power Line (PL), el medio de

transmisión es el cableado de la red eléctrica de baja tensión (220 VAC).

La transmisión es digital para lo cual se requiere que la onda sinusoidal 20

sea lo más limpia posible, como máximo tenga una distorsión del 10%

sobre la tensión eficaz de 220 VAC y en frecuencia +/- 0.5 Hz. sobre los 50

Hz.

En los Sistemas Automatizados PL, la impedancia, esta genera una

disminución de la tensión como consecuencia del decremento de la

impedancia, causada por el aumento de la capacidad electrostática (C).

Estos pequeños cambios resistivos son detectados por los Sistemas

Automatizados y deben adaptarse dinámicamente a ellos.

Con estos puntos a tener en cuenta la aplicación domótica PL no se debe

utilizar, por normativa, en los casos siguientes: a la hora de monitorizar

equipos médicos, conectar varios edificios, en redes eléctricas donde estén

conectadas maquinarias que sobrepasen los límites de interferencia

radioeléctrica (generalmente motores de potencia), cuando exista

transformadores en la red eléctrica, si la línea de red eléctrica es utilizada

por sistemas que utilicen la banda de 105,6 kHZ. – 115,2 kHZ. y

finalmente, cuando no se asegure los límites 220c +/- 10% y 50 Hz. +/- 0,5

Hz.




c. Técnica sobre Radio Frecuencia

Los elementos empleados para esta técnica utilizan como medio de

transmisión el radioeléctrico. Cada sensor y actuador lleva integrado un

dispositivo transmisor y receptor.Un solo receptor (o varios, si existen

obstáculos insalvables o la vivienda es amplia) es el que recibe las señales

de los sensores para procesarla y emitirla a los actuadores.

La comodidad de esta técnica es que no hace falta ninguna obra de

acometida para la instalación. Incluso pueden adherirse a cristales (como

mamparas) haciendo al sistema muy versátil.La frecuencia utilizada para la

transmisión aún no está estandarizada, por ejemplo, Jung, utiliza 433 MHz

con una potencia más baja que la empleada en la telefonía móvil. Dicha

frecuencia permite una transmisión de 1000 bits/s. La modulación utilizada

es ASK (Amplitude Shift Keying). Un “1” ó “0” se asocia a un nivel distinto

de señal que se modula con la portadora de 433 MHz. El alcance

dependerá de los obstáculos que se encuentren, normalmente cuando el

espacio es diáfano la distancia es de 300 m. decreciendo a 50 m. cuando

existen obstáculos.

2.2.5. Protocolos comunicación12

Los protocolos de comunicación son los procedimientos utilizados por los

sistemas automatizados para la comunicación entre todos los dispositivos con la

capacidad de “controlador”.

Existen una gran variedad de protocolos, algunos específicamente desarrollados

para la domótica y otros protocolos con su origen en otros sectores, pero

adaptados para los sistemas automatizados. En un sistema distribuido los

protocolos de comunicaciones pueden ser abiertos o cerrados (propietarios).

12 Huidobro Moya, M. (2004). Domótica. Edificios Inteligentes.




a. Sistemas cerrados o propietarios

Son aquellos en los que los nodos decontrol utilizan un protocolo de

comunicaciones cerrado, es decir, un protocoloque ha sido creado

únicamente para comunicar los productos de un fabricante.

Generalmente estos equipos son más económicos aunque tienen una

grandependencia de un solo fabricante y altos costes de mantenimiento.

b. Sistemas abiertos

Son aquellos en que los nodos de control utilizan unprotocolo de

comunicación estándar. Estos sistemas ofrecen soluciones másviables y

los diferentes protocolos han evolucionado enormemente. Tienen

suorigen en la década de los 90, y se presentan con soluciones más

completasque los protocolos propietarios, y con capacidad de integrar

productos dedistintos fabricantes.

Su mantenimiento tiene costes más bajos, hay una amplia gama de

productos, y se tiene mucha flexibilidad y capacidad de ampliación. Los

principales protocolos de Sistemas Automatizados abiertos son

LONWORKS, X-10, KONNEX-EIB. LONWORKS

LonWorks es una tecnología de control

domótico propietaria de la compañía

americana Echelon Corp. Al igual que

KNX, LonWorks puede utilizar una gran variedad de medios de

transmisión: aire, par trenzado, coaxial, fibra, o red eléctrica.

Requiere la instalación de “nodos” a lo largo de la red que gestionan

los distintos sensores y actuadores. La instalación y configuración

de estos nodos debe ser realizada por profesionales utilizando las

herramientas informáticas apropiadas.




LonWorks es una tecnología muy robusta y fiable por lo que está

especialmente indicada para la automatización industrial, ámbito del

que procede.Está más implantada en Estados Unidos que en

Europa.

X-10 EE.UU finales de los 70, para el control

remoto de dispositivos eléctricos. Utiliza la

línea eléctrica (220V o 110V) para transmitir

señales de control entre equipos de

automatización del hogar en formato digital.

Domótica X10 es el sistema de Domótica mas extendido y utilizado

en los hogares del mundo debido a su sencillez de instalación y a su

fácil manejo que se adapta a todas las necesidades actuales de

control domótico en los hogares.

X10 es el "lenguaje" de comunicación que utilizan los productos

compatibles X10 para hablarse entre ellos y que le permiten

controlar las luces y los electrodomésticos de su hogar,

aprovechando para ello la instalación eléctrica existente de 220V de

su casa, y evitando tener que instalar cables. Este es el principal

motivo por el que X10 se considera un sistema de Domótica sin

instalación.

A nivel físico hace uso de las líneas de baja tensión (ondas

portadoras).En el protocolo X-10 existen tres tipos de dispositivos X-

10:

• Los que sólo pueden transmitir órdenes.

• Los que sólo pueden recibirlas.

• Los que pueden enviar/recibir.

A medida que fueron desarrollándose nuevos estándares se unieron

en un solo protocolo llamado Konnex.




KONNEX: EHS + EIB + BatiBUS Esta tecnología contempla varios

sistemas de transmisión (cable, radio,

ondas portadoras, fibra óptica, etc.).

EHS (European Home System): Está basada en una topología de

niveles OSI (Open Standard Interconnection), y se especifican los

niveles: físico, de enlace de datos, de red y de aplicación.

EIB (European Installation Bus): es un sistema de domótica basado

en un Bus de datos. Utiliza su propio cableado.

BatiBUS: Se basa en la tecnología de par trenzado pudiendo

transmitir hasta 4800 bps (comprobar). El sistema es centralizado,

pudiendo controlar cada central hasta 500 puntos de control.

2.2.6. Componentes de un Sistema Automatizado13

a. Sensores La misión de un sensor es la conversión de magnitudes de una determinada

naturaleza a otra, generalmente eléctrica. Estas magnitudes pueden ser

físicas, químicas, biológicas, etc. En un edificio, se encargarán de

proporcionar toda la información necesaria parasu posterior gestión.

Sensores habituales son los de temperatura, humedad, presencia,

iluminación, etc.

En la mayoría de los casos, los sensores disponen de un encapsulado

mediante elcual consigue un correcto funcionamiento al evitar que no le

afecten condicionesexternas distintas de la magnitud a medir.

13 Huidobro Moya, M. (2004). Domótica. Edificios Inteligentes.




A continuación se citan las características más importantes que definen

elfuncionamiento de un sensor:

• Amplitud: Diferencia entre los límites de medida.

• Calibración: Patrón conocido de la variable medida que se aplica

mientrasse observa la señal de salida.

• Error: Diferencia entre valor medido y valor real.

• Exactitud: Concordancia entre valor medido y valor real.

• Factor de escala: Relación entre la salida y la variable medida.

• Fiabilidad: Probabilidad de no error.

• Histéresis: Diferencia recorrido de la medida al aumentar o disminuir

ésta.

• Precisión: Dispersión de los valores de salida.

• Ruido: Perturbación no deseada que modifica el valor.

• Sensibilidad: Relación entre la salida y el cambio en la variable

medida.

• Temperatura de servicio: Temperatura de trabajo del sensor.

• Zona de error: Banda de desviaciones permisibles de la salida.

Se pueden realizar varias clasificaciones de sensores en función de

suscaracterísticas:

Por su alimentación:

• Activos: Deben ser alimentados eléctricamente a los niveles

apropiados (tensión, corriente, etc.). Son los más habituales.

• Pasivos: No necesitan alimentación eléctrica.

Los sensores pasivos no suelen utilizarse en aplicaciones industriales o

domótica, aunque un termómetro de mercurio y un indicador de presión

serían ejemplos de los mismos.

Por el tipo de señal implicada:

• Continuos: Cuando las señales que proporcionan son continuas.

• Discretos: Cuando las señales que proporcionan son discretas.




Un sensor discreto dispone de un número finito de salidas posibles,

quecorresponden a un número finito de estados posibles de la variable a

medir: presenciao no presencia, circuito abierto o cerrado, iluminación o no,

etc. Suelen ser mássencillos, baratos y de gran fiabilidad.

La salida de un sensor continuo es una magnitud cuyo valor varía de

formacontinua en función de la variable medida. Algunos ejemplos son los

de iluminación, de temperatura, de presión, de humedad, de viento.

Por el ámbito de aplicación:

Gestión climática

Sensores de temperatura (resistivos,

semiconductores, termopares…), termostatos,

sondas de temperatura para inmersión, para

conductos, para tuberías, sensores de humedad,

sensores de presión, etc.

Gestión contra incendio

Sensores iónicos, termovelocimétricos, sensores

ópticos, infrarrojos, de barrera óptica, sensores

ópticos de humos, de dilatación, etc.

Gestión contra intrusión/robo

Sensores de presencia por infrarrojos, por

microondas o por ultrasonidos, sensores de

apertura de puertas o ventanas, sensores de

rotura de cristales, sensores microfónicos,

sensores de alfombra pisada, etc.

Control de presencia Lector de teclado, lector de tarjetas,

identificadores corporales (biométricos), etc.

Control de la iluminación

Sensor de luminosidad.

Otros sistemas

Sensores de lluvia, de viento, de CO, de gas, de

inundación, de consumo eléctrico, de consumo de

agua, de nivel de depósitos, etc.




b. Actuadores

Son los dispositivos electromecánicos que actúan sobre el medio exterior y

afectanfísicamente al edificio. Convierten una magnitud eléctrica en otra de

otro tipo (mecánica, térmica,…), realizando, de alguna manera, un proceso

inverso al de lossensores. Los actuadores pueden mantener niveles de

salida continuos o discretos.

Los actuadores pueden ser el motor de una persiana, los contactores de un

circuito de iluminación, lámparas, radiadores, sirenas, etc.

• Relés: son interruptores que permiten conmutar circuitos de potencia

máselevada mediante una señal de baja potencia.

• Contactores: son relés de mayor potencia.

• Dimmers: son dispositivos basados en semiconductores que

permitenregular la potencia que llega a una carga.

• Electroválvula: son válvulas cuya apertura es controlada mediante

unaseñal eléctrica externa. Se utilizan principalmente para controlar

caudalesde líquidos o gases.

• Motores eléctricos: Convierten energía eléctrica en mecánica para

generar, de esta forma, un movimiento.

• Resistencias eléctricas: Se utilizan para elevar la temperatura del

mediodonde se encuentran.

c. Controladores

Es la unidad del sistema capaz de recibir, procesar o tratar la información,

segúnprograma o algoritmo preestablecido, y comunicarlo, cuando proceda,

a los actuadores correspondientes.

La evolución de la electrónica embedida ha permitido que algunos sensores

y actuadores sean totalmente autónomos al incorporar la función del

procesador. En definitiva, eslo que caracteriza la arquitectura del sistema.

Reguladores físicos.

Microcontroladores.

Microprocesadores.

Controladores Lógicos programables(PLC)




PLC (Programable Logic Controller) son dispositivos electrónicos muy

usados en automatización. Controlan la lógica de funcionamiento de

dispositivos, plantas y procesos automáticos.Su estructura básica son dos o

más planos de puertas lógicas, normalmente AND y OR, que el

programador debe conectar de forma adecuada para que hagan la función

lógica requerida. Suelen programarse en ABEL o VHDL.

Los PLC's actuales pueden comunicarse con otros controladores y

computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los

modernos sistemas de control distribuidoEstos dispositivos consiguen entre

muchas otras cosas, que ciertas tareas se hagan de forma más rápida y

evita que el hombre aparezca involucrado en trabajos peligrosos para él y

su entorno más próximo.

En la actualidad debido al desarrollo de la electrónica hay distintas

variedades de autómatas que van desde: Micro autómatas y Nano

autómatas que se utilizan en apertura y cierre de puertas, domótica, control

de iluminación, control de válvulas de agua, etc., autómatas de gama alta,

prestaciones de un pequeño ordenador, principal virtud de un PLC es su

robustez y facilidad de interconexión con el proceso.

La tendencia actual es dotarlo de funciones específicas de control y de

canales de comunicación para que puedan conectarse entre sí y con las

PCs en red. Red de autómatas.

EL PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de

aplicación muy extenso. La constante evolución del Hardware y Software

amplia continuamente este campo para poder satisfacer las necesidades

que se detectan en el aspecto de sus posibilidades reales.

Sus reducidas dimensiones, las extremas facilidades de u montaje, la

posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida

utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su

eficiencia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se reduce

necesidades tales como: Espacio reducido. Procesos de producción

periódicamente cambiantes Maquinaria de procesos variables, instalación




de procesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada

de las partes del proceso.

Los PLC están diseñados modularmente y por lo tanto con posibilidades de

poder expandirse para satisfacer las necesidades de los sistemas de

control.

d. Red

Una red se puede definir como una interconexión de nodos (agentes,

dispositivos) que intercambien información o recursos. Conjunto de

elementos independientes interconectados. Multiplicidad de agentes

(nodos) que actúan autónomamente (independientes) coordinándose de

forma espontánea en la red y queforman un universo reticular.

2.2.7. Tecnología Inalámbrica

El vertiginoso avance en las tecnologías inalámbricas está haciendoque los

dispositivos, cada vez, mejoren sus características y disminuyan su precio.

Deesta forma, dichos dispositivos han reducido su consumo energético para

posibilitaruna mayor autonomía, en el caso de tener que instalarlos en lugares

donde deban seralimentados con baterías.

REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 28/62

Tecnologías como Wi-Fi, Bluetooth entre otras, nos rodean hoy en

díaproporcionándonos servicios digitales avanzados. Además los grandes

estándaresdomóticos (EIB-KNX y LonWorks) actualmente disponen de la

posibilidad de implantarsu protocolo por medio de transmisión inalámbrica,

permitiendo realizar instalacionessin tener que hacer obras.

La tecnología inalámbrica en la actualidad es una realidad y cada vez está

másextendida, este hecho junto con los avances de la electrónica embebida,

hanpropiciado una reducción en los costes de fabricación que se ha traducido

en unaimplantación masiva de todo tipo de comunicaciones inalámbricas, que

además siguecreciendo.




La tendencia de las tecnologías inalámbricas en el ámbito de los edificios ha

dado lugar en la última década a la aparición de un nuevo protocolo

decomunicaciones, optimizado para adaptarse perfectamente a las

prestacionesnecesarias para soportar los servicios digitales necesarios.

ZigBee14

comunica una serie de dispositivos haciendo que trabajen de forma

más eficiente entre sí. Es untransmisor y un receptor que usa baja potencia para

trabajar y tiene como objetivo lasaplicaciones que requieren comunicaciones

seguras con baja tasa de envío de datos ymaximización de la vida útil de sus

baterías. Es ideal para conexiones con diversostipos de topología, lo que a su

vez lo hace más seguro, barato y que no haya ningunadificultad a la hora de su

construcción porque es muy sencilla.

Esta tecnología no tienecompetencia fuerte con las tecnologías existentes

debido a que sus aplicaciones sonde automatización de edificios, residenciales

e industriales, especialmente paraaplicaciones con usos de sensores. Es el

protocolo principal de las redes de sensores.

2.2.8. Tecnología Clave

Una red de sensores es una red de dispositivos distribuidos que usan

sensorespara monitorizar condiciones en diferentes localizaciones.Cada

dispositivo está equipado con un sensor(es), un trasmisor, un pequeño micro

controlador y una fuente de energía (normalmente una batería). Los

dispositivosse comunican unos con otros usando una arquitectura ad-hoc (sin

infraestructurapredeterminada) y de forma inalámbrica.15

En lo que se refiere a la sensórica utilizan transductores que convierten la

cantidada ser medida (temperatura, presión, etc.) en una señal útil que pueda

ser medida yprocesada. Debido a que el acondicionamiento de señal y el

procesado se realizan porcircuitos electrónicos, los transductores generalmente

tiene salidas en voltajes ocorrientes. Los sensores con tecnología

MicroElectroMechanical Systems (MEMS) están hoy en día muy desarrollados y

son los que se suelen utilizar en las redes desensores. Las características

principales de los sensores MEMS son: escalamicroscópica (alrededor de 1mm),

14 Zuccato, L. (2007). Zigbee for Building Control Wireless Sensor Networks. 15 Asociación Española de Domótica. (2010). Numero: 09.




capacidades eléctricas y mecánicas y que sonrealmente sistemas (combinan

sus capacidades para realizar una función).

Cada nodo sensor se compone de cuatro componentesbásicos, la unidad

sensora, el trasmisor, la unidad de energía y la unidad procesadora.Ésta última

es la que maneja los procedimientos para que el nodo colabore con losdemás,

la que se encarga de procesar los datos de los sensores, y la que en

realidadhace que el nodo realice las tareas que tiene encomendadas.

Existen dispositivos que ya combinan laparte de radio (comunicaciones) con un

procesador (de uso más o menos general) enun único formato. Existen sistemas

operativos embebidos como TinyOS que ha sidoseleccionado muchos

fabricantes, plataformas y desarrolladores como el sistemaoperativo utilizado en

las redes de sensores inalámbricas. Ha sido específicamentediseñado para este

tipo de redes y un diseño basado en componentes de SW y unmodelo de

ejecución basado en eventos que soporta un alto grado de concurrencia,

minimiza el consumo mientras que permite la implementación de algoritmos

complejosy protocolos sofisticados. Las claves para el éxito de este tipo de redes son el bajo consumo (y por lo

tanto lalarga vida de las baterías) así como un coste unitario barato de cada

nodo y sufacilidad de instalación y mantenimiento. En el apartado del consumo

de energía, cadauno de los componentes de los que forman el sistema está

optimizado. Actualmenteestán soportados por baterías pero las tendencias que

se están observando apuntan ala propia generación de energía por parte de

cada una de los nodos o sensores. Lamisma tecnología MEMS se está

utilizando en este campo.

Se caracterizan por su facilidad de despliegue y por ser autoconfigurables,

pudiendo convertirse en todo momento en emisor, receptor, ofrecer servicios

deencaminamiento entre nodos sin visión directa, así como registrar datos

referentes alos sensores locales de cada nodo. Otra importante característica es

la gestión querealiza de su propia fuente de energía, la cual le permite disponer

de una autonomíade años.




Muchas redes de sensores inalámbricos están basadas en estándares de

redesinalámbricas propietarios, pero la tendencia reciente crece cada vez más

hacia laestandarización de la comunicación inalámbrica de bajo consumo.

ZigBee es un claroejemplo de esto, ya que ofrece un estándar para la medición

y control inalámbricosque está basado en unas especificaciones bien conocidas

como la 802.15.4.

El estándar IEEE 802.15.4 define el nivel físico y el control de acceso al medio

deredes inalámbricas con tasa bajas de transmisión de datos. El propósito del

estándares definir los niveles de red básicos para dar servicio a un tipo

específico de redinalámbrica de área personal (WPAN) centrada en la

habilitación de comunicaciónentre dispositivos ubicuos con bajo coste y

velocidad.

Entre los aspectos más importantes se encuentra la adecuación de su uso para

tiempo real por medio de slots de tiempo garantizados, evitación de colisiones

por CSMA/CA y soporte integrado a las comunicaciones seguras. También se

incluyen funciones de control del consumo de energía como calidad del enlace y

detección de energía.

2.2.8.1 Nodos16

Los, son dispositivos capaces de realizarprocesados, sensar parámetros

y comunicar con otros dispositivos de su misma red.

Los componentes principales de un nodo son:

• Microcontrolador

• Transceiver

• Sensores y

• Fuente de alimentación.

16 Gharavi, H. (2003). Sensor Networks and Applications.




• Micro controlador El microcontrolador realiza tareas, procesa datos y controla la

funcionalidad delresto de componentes de la mota. Existen

distintas alternativas a usar un microcontrolador:

microprocesadores de propósito general, DSP’s, FPGA’s y

circuitos integrados específicos.

Los microcontroladores son la mejor opción para estos

dispositivos, ya que son flexibles a la hora de conectar con otros

dispositivos, son programables y consumen muy poca energía, ya

que son capaces de pasar la mayor parte del tiempo inactivo y

despertar solo para realizar las tareas necesarias.

• Transceiver Las redes de sensores operan en la banda ISM, la cual está libre

de señales deradio, y están disponibles en todo el mundo. Existen

varias opciones a la hora detransmitir de forma inalámbrica:

radiofrecuencia, comunicaciones ópticas (láser) einfrarrojos.

La comunicación mediante láser requiere poca energía, pero

necesita apuntar acada dispositivo con el que se quiera comunicar

y disponer de unas condicionesatmosféricas propicias.

La comunicación mediante radiofrecuencia es la idónea para las

aplicacionesimplantadas mediante redes de sensores. Opera en

las frecuencias entre 433 MHz y2.4 GHz La funcionalidad de

transmisor y receptor se combinan en un solo dispositivoconocido

como transceiver.

• Sensor Los sensores son las partes hardware que proporcionan una

respuesta medibleante un cambio en una condición física como

por ejemplo la temperatura. La señalcontinua captada por el

sensor es recogida por el convertidor A/D del microcontroladorque

digitaliza la señal para su posterior procesado.




• Fuente de alimentación El consumo de energía en un nodo se produce por las acciones

de sensar, procesar y transmitir. La mayor parte de esta energía

se corresponde a las tareas decomunicaciones; las tareas de

sensado y procesado apenas consumen. La cantidadde energía

necesaria para transmitir 1 Kb a una distancia de 100 metros

esaproximadamente la misma que para ejecutar 3 millones de

instrucciones a unavelocidad de 100 millones de instrucciones por

segundo.

La energía puede almacenarse en condensadores o en baterías,

aunque son estasúltimas las más utilizadas en redes de sensores.

Actualmente se están desarrollando sensores que tienen la

capacidad de obtenerla energía por sí mismos mediante la luz del

sol, temperatura, vibraciones, etc.

2.2.8.2 Características de Nodos

Descripción de las últimos nodos y sus características existentes en el

mercado:

• IMote Intel® ha creado una plataforma para el desarrollo de motas destinada

adesarrollar dispositivos, incrementando su capacidad de procesado,

mejorando lascomunicaciones y su fiabilidad y utilizando componentes

no comerciales paramantener un precio reducido.

Actualmente se comercializa la versión IMote2, que cuenta con un

procesador IntelPXA271 XScale a 13-416 MHz, un coprocesador

DSP/Wireless MMX y 32 Mb dememoria FLASH.

Integra una antena de 2,4 GHz, además de incluirse en la CPU el

estándar802.15.4 de radio. Además su diseño es modular y permite la

ampliación medianteconector, de entradas/salidas digitales y analógicas,

2 puertos SPI, 3 puertos UART, bus I2C, USB host y cliente, etc.

Como puede observarse, es un dispositivo con una potencia superiory se

orienta a aplicaciones que requieran una complejidad mayor.




• XBee El XBee es un integrado que incluye elmicrocontrolador y el transceiver,

siendo necesario conectar únicamente los sensoresa sus entradas

disponibles e incorporarle una fuente de alimentación.

Puede transmitir a velocidades de 250 Kbps y ha distancias de hasta

100m encampo abierto. Existe una versión mejorada llamada XBee-Pro

que aumenta las prestaciones de distancia y velocidad de transmisión.

• TinyNode mote El filosofía de desarrollo de TinyNode es la de implementar nodos

paraaplicaciones industriales. La empresa Shockfish SA ha desarrollado

dos dispositivos, el TinyNode 584, y el TinyNode 184.

Se trata de dispositivos modulares, que pueden ser ampliados

medianteconectores. Ambos modelos funcionan con el microcontrolador

MSP430 a 16MHz deTexas Instruments. Tienen un consumo ultra-bajo

que les permite hasta 10 años deautonomía con dos baterías tipo 3AA.

Además de la memoria del microcontroladordispone de un chip externo

flash de 512 KB para almacenar los datos recogidos.

La diferencia entre ambos modelos reside en la velocidad y distancia

detransmisión, y en la capacidad de ampliación. El modelo 584 permite

rangos de hasta2 Km y velocidades de 150 Kbit/s, mientras que el 184

permite hasta 150 m y hasta250 Kbit/s.




2.2.8.3 Software

Las aplicaciones tradicionales de monitorización (generalmente

cableadas) se basan en principios o arquitecturas cliente servidor. En las

redes de sensores esteconcepto no es válido y deberían estar orientadas

a arquitecturas orientadas a evento, de forma que sólo se produzca una

comunicación (o cualquier actividad de intercambiode información)

cuando se alcanza un determinado umbral o se ha detectado

algúncambio significativo. Por otra parte la estructuración en módulos o

componentes hacemás livianos, portables y configurables los sistemas

software. Otro motivo para laestructuración en módulos es que facilita la

carga remota ya que sólo es necesariodescargar los módulos que

necesitan actualización y posibilita la actualización incremental.

En el mundo de las redes de sensores cada fabricante suele disponer de

suspropias herramientas para programar sus motas. Pero también ha

surgido un sistemaoperativo con la idea de estandarizar y facilitar la

programación de este tipo desistemas. Se trata del sistema operativo

TinyOS. Los dos principalescomponentes que contiene cada una de los

nodos de la red de sensores son elmicroprocesador y el transceptor de

radio.

El sistema operativo contiene bloques conceptuales que aíslan esos

componentes puramente hardware de forma que las aplicaciones y

funciones que proporciona son portables de una plataforma a otra.

Define componentes y los utiliza para la composición de otras

funcionalidades. Estos componentes suelen tener una serie de interfaces

de entrada (comandos) y otros de salida (eventos) y generalmente se

programan en un dialectode C denominado nesC.

nesC es el lenguaje de programación orientado a componentes que se

suele utilizar para programar las redes de sensores, e íntimamente

relacionado con elTinyOS. Se basa en el lenguaje C pero con

capacidades añadidas para explotar losconceptos de componentes y

concurrencia. Una aplicación desarrollada con nesCconsiste en una serie




de componentes, cada uno con su funcionalidad, que han sido

ensamblados o unidos.

Un componente tiene una doble vertiente en la que por una parte

proporciona unosinterfaces y por otra hace uso de interfaces. Los

interfaces que proporcionarepresentan la funcionalidad que provee a su

usuario mientras que los que usa sonaquellos que necesita para su

ejecución. Los interfaces pueden ser una serie decomandos (funciones a

desarrollar por el proveedor del interface) y eventos (funcionesa

desarrollar por el usuario del interface). Para que un componente utilice

loscomandos de un interface debe de implementar también los eventos

que ese interfaceproporciona. En nesC hay dos tipos de componentes:

los módulos (que proporcionan la implementación de una o varias

interfaces) y las configuraciones (utilizadas para unir varios componentes

utilizando las interfaces). Todas las aplicaciones nesC tienen un módulo

configuración que une o enlaza a todos sus componentes.

2.2.9. Arquitectura de Red

Las comunicaciones son uno de los principales elementos de las redes

desensores y que más las caracteriza. Por otra parte son uno de los

componentes clavede los Sistemas Automatizados ya que fija la integración y la

compatibilidad de lossistemas. Todos los aspectos relacionados con las redes

de sensores están diseñados ypensados para ofrecer un bajo consumo y

siempre teniendo en cuenta las limitacionesde procesamiento y capacidad de

los propios nodos.

La arquitectura de comunicaciones suele presentar una distribución por capas

oniveles típicos de las redes de comunicaciones: un nivel físico, un nivel de

acceso almedio y un nivel de enrutamiento o red, ejecutándose por encima del

mismo lasaplicaciones. El nivel físico suele presentar varias alternativas de

bandas de radio (lastres principales bandas de radio para sistemas de

comunicaciones) y que se dividen asu vez en varios canales. Sobre él se

definen los protocolos de acceso al medio ytransmisión básica de datos que

constituyen el nivel 2 de de los niveles OSI decomunicaciones (y cuya principal




misión en permitir la comunicación entre dosdispositivos). Actualmente el

estándar de estos primeros niveles en las redes desensores es 802.15.4.

Sobre esa capa se definen una serie de protocolos que permiten el

enrutamientode paquetes y arquitecturas de red, y finalmente la aplicación que

usa los serviciosofrecidos por el nivel inferior. En el mundo de las redes de

sensores el principal y másextendido estándar es ZigBee.

A modo de resumen este nivel se encarga de funcionescomo el descubrimiento

de vecinos, el mantener una topología de red, el enrutamientode paquetes, está

preparado para preservar la energía de los nodos, y otros serviciosadicionales

como la autenticación y encriptación, servicios de aplicación adicionales.

Una red ZigBee puede adoptar tres topologías distintas:

• Estrella en la que un existe un nodo central que está asociado con todos

losdemás nodos de la red y por el que pasan todos los mensajes.

• Árbol en la que existe un nodo superior y del cual cuelga una estructura

deramas y hojas. Para alcanzar su destino, un mensaje viaja arriba o

abajo através de la jerarquía hasta lograrlo.

• Malla, que es similar a una estructura en árbol, pero en la que algunas

hojasestán directamente asociadas.

REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 37/62

Así mismo, existen tres tipos distintos de nodos en una red ZigBee:

• Coordinador encargado de arrancar la red, seleccionar el canal

decomunicaciones y permitir la conexión de otros nodos. En una red

ZigBeeúnicamente puede haber un coordinador. En una configuración

en estrella es elnodo central y en las topologías de árbol y malla es el

nodo más alto de la jerarquía.

• Nodo Final, que envían y reciben mensajes. Están optimizados para una

bajoconsumo y generalmente están dormidos a no ser que tengan que

trasmitir orecibir información. Son los nodos extremos en una topología

de estrella y lashojas en la topología en árbol y malla.




• Nodos enrutadores, que redireccionan mensajes de un nodo a otro y

permitenconectarse a sus hijos. Una topología en estrella no necesita

nodosenrutadores, en una topología en árbol suelen estar situados de

forma que sepermitan el paso de los mensajes de arriba abajo (y

viceversa) y en unatopología en malla en cualquier lugar donde es

preciso el paso de mensajes.

Dentro de ZigBee se ha definido elestándar ZigBee RF4CE (Radio Frequency

for Consumer Electronics) que lo queproporciona es una solución de control

remoto para electrónica del hogar, que esinteroperable entre distintos

fabricantes y que permite una conectividad inalámbricabidireccional entre dos

dispositivos, simple, robusta y de bajo coste. Este aspectoreafirma la

introducción del estándar ZigBee en el hogar y cómo las solucionesbasadas en

radio frecuencia van sustituyendo a los tradicionales infrarrojos enaplicaciones

como el control de dispositivos de entretenimiento en el hogar, la aperturade

puertas de garaje o los sistemas de cerraduras sin llaves.

No hay que olvidar el resto de estándares de protocolos de comunicaciones

inalámbricas existentes y que pueden ser utilizados como base para las redes

desensores como pueden ser WiFi (IEEE 802.11), Bluetooth (IEEE 802.15.1),

RFID (Radio Frequency Identification), UWB (Ultra Wide Band), etc. Muchos de

ellos estándesarrollando nuevos estándares que disminuyen el consumo

(generalmente a costade reducir el ancho de banda) y que podrían ser utilizados

en las aplicaciones de control automático.




2.3. Definición de Términos

• INMOTICA: Es la incorporación al equipamiento de edificios de uso industrial

(oficinas, edificios corporativos, hoteleros, empresariales y similares), de

sistemas de gestión técnica automatizada de las instalaciones, con el objetivo

de reducir el consumo de energía, aumentar el confort y la seguridad de los

mismos.

• DOMOTICA: Es el conjunto de sistemas capaces de automatizar una vivienda,

aportando servicio de gestión energética, seguridad, bienestar y comunicación, y

que pueden estar integrados por medio de redes interiores y exteriores de

comunicación, cableadas o inalámbricas, y cuyo control goza de cierta

ubicuidad, desde dentro y fuera del hogar.

• ACTUADOR: Dispositivo que recibe una orden desde el regulador o controlador

y la adapta a un nivel adecuado según la variable de salida necesaria para

accionar el elemento final de control, planta o proceso.

• AMPLIFICADOR: Nos proporciona un nivel de señal procedente de la

realimentación, entrada, comparador, etc., adecuada al elemento sobre el que

actúa.

• CONTROLADOR: Dispositivo que van conectados a la red eléctrica y se ocupan

de enviar señales de control a través de la misma, para controlar los distintos

“módulos de activación” de la aplicación requerida.

• ENTRADA DE MANDO: Es la excitación que se aplica a un sistema de control

desde una fuente de energía externa, con el fin de provocar una respuesta. Es

la señal externa al sistema que condiciona su funcionamiento.

• INTERFAZ: Interconexión eléctrica, mecánica o de datos, para la adaptación de

diferentes servicios. Conexión entre el ordenador y el mundo exterior. Es un tipo

de radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible pero

menor que la de las microondas.

• LAN: Red de área local.




• PERTURBACION: Son las señales no deseadas que influyen de forma adversa

en el funcionamiento del sistema. Por ejemplo abrir una ventana representa una

perturbación en el sistema de control de temperatura mediante termostato.

• PLC: Los controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic

Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en

automatización.

• PROTOCOLO: Conjunto de reglas usadas por computadoras para comunicarse

una con otras a través de una red.

• SENSOR: Dispositivo que responde a algunas propiedades de tipo eléctrica,

mecánica, térmica, magnética, química, etc., generando una señal eléctrica que

puede ser susceptible de medición. • SEÑAL ACTIVA: También denominada señal de error. Representa la diferencia

entre la señal de entrada y la realimentada.

• SEÑAL DE REFERENCIA: Es una señal de entrada conocida que nos sirve

para calibrar al sistema.

• SISTEMA: Es un conjunto de elementos interrelacionados capaces de realizar

una operación dada o de satisfacer una función deseada.

• SISTEMA AUTOMATICO: Conjunto de componentes físicos conectados o

relacionados entre sí, de manera que regulen o dirijan su actuación por sí

mismos, es decir sin intervención de agentes exteriores (incluido el factor

humano), corrigiendo además los posibles errores que se presenten en su

funcionamiento.

• TRANSDUCTOR: Transforma una magnitud física en otra que es capaz de

interpretar el sistema.

• UNIDAD DE CONTROL: Gobierna la salida en función de una señal de

activación.




• UNIDAD DE REALIMENTACION: Está formada por uno o varios elementos que

captan la variable de salida, la acondicionan y trasladan a la unidad de

comparación.

• VARIABLES DEL SISTEMA: Son todas las magnitudes, sometidas a vigilancia

y control, que definen el comportamiento de un sistema (velocidad, temperatura,

posición, etc.).

• 1 M3 AGUA: 100 litros de agua

2.4. Sistema de hipótesis

Con la implantación del sistema de control automático para la gestión de agua en el

edificio Guernica, se lograra reducir en un 90% el desperdicio de agua causado por

fugas y consumo inadecuado; por consiguiente también se logrará la reducción del

consumo total de agua y el costo asociado.

2.5. Sistemas de Variables

a. Nivel de consumo de agua (m3)

b. Costo asociado al nivel de consumo de agua.




CAPÍTULO 3: MARCO METODOLOGICO 3.1 Nivel de investigación

El proyecto se basa en un nivel de investigación descriptiva y cuantitativa, ya que se

expondrá las características, beneficios y/o limitaciones de los sistemas automáticos

en la gestión del agua en edificios.

Descriptiva, Tiene como objetivo determinar el impacto de la implantación de los

sistemas de control automático del agua en el nivel de consumo del recurso hídrico.

Cuantitativa, A partir del recojo de información de la variable: nivel de consumo, se

analizara las propiedades y fenómenos cuantitativos expresados en metros cúbicos

consumidos (m3) y costo por consumo (S/.)

3.2 Diseño de la investigación

3.2.1 Métodos:

Para el desarrollo de la investigación se empleara los siguientes métodos: a. Método experimental

Dado que se llevara acabo un estudio de campo para recopilar información y

posterior análisis y comprobación.

Primero

, se recogerá la información de consumo por departamento y

determinara el consumo total en m3.

Segundo

, una vez implantado el prototipo de sistema automático de gestión

de agua se determinada el nuevo consumo. Esta información se analizara y

evaluara para determinar el nivel de ahorro de agua en m3 que se llego a

obtener en base a comparación de resultados.

b. Método de observación Mediante la cual se va a poder percibir directa y claramente la magnitud del

problema y la variable relacionada.




c. Método de Medición Para la obtención y comparación de datos numéricos relacionados al

consumo, es decir la cantidad en m3 de agua consumida y cantidad de m3

de agua que se desperdicia en fugas.

Estudio de campo: Según la información recolectada mediante Entrevista 17

en un departamento

estándar se cuenta con las siguientes instalaciones de agua:

• Servicios Higiénicos

o 3 caños de lavatorio

o 3 duchas

o 3 inodoros

• Cocina

o 1 caño

• Lavandería

o 1 caño

El estudio de campo y en base a la información obtenida de los propietarios

mediante la técnica de entrevista se llego a determinar que las fugas pueden

llegar a duplicar el consumo normal de agua lo cual concuerda con la

información estimada por Sedapal.

Según Sedapal, afirma que las de fugas en una zona residencial de lima

generalmente se producen por:

• Por Goteo : 80lts/día = 2.4 m3/mes = s/. 4.30

• Por Inodoro : 5000lts/día = 150 m3/mes = s/.810.2018

• Válvula del tanque elevado.

• Filtraciones en las paredes por tuberías rotas.

• Aspersores en áreas verdes

Por lo que estima que podría representar entre 30% y 50% del consumo

total19.

17: Sedapal, Agosto 2012,

Consumo normal (sin fugas)

http://www.sedapal.com.pe/fugas-de-agua 18 : Sedapal, Agosto 2012, http://www.sedapal.com.pe/fugas-de-agua 19 : Sedapal, Publicación marzo 2011, http://blogsedapal.blogspot.com.au/2011/03/dia-mundial-del-agua-2011-agua-para-las.html

http://www.sedapal.com.pe/fugas-de-agua�


http://blogsedapal.blogspot.com.au/2011/03/dia-mundial-del-agua-2011-agua-para-las.html�




Normalmente se consume 10 m3 de agua y se paga alrededor de s/.18

Cuando hay fugas menores (goteo de caños) se llega a consumir 15 a 18 m3 y pagar

alrededor de S/. 30.

Consumo con fugas menores

Cuando las fugas son mayores (fugas en inodoro) se llega a consumir entre 20 y 25

m3 lo que asciende a un costo alrededor de s/.40

Consumo con fugas mayores

Con la implantación del sistema de control automático de gestión de agua, las fugas

se podrían reducir en un 90% con un margen de error de +-5% ya que los caños y

válvula de inodoro se sustituirán por dispositivos electrónicos controlados que solo se

activaran el tiempo adecuado de acuerdo a la necesidad, además ayuda al uso optimo

del recuso evitando que el agua fluya innecesariamente..

3.2.2 Técnicas:

Para lograr la obtención de información, conocimiento y llevar el control de los

datos se hacer uso de las siguientes técnicas:

• Cuestionarios Dirigido a formular preguntas para entrevista con propietarios y personal

administrativo con el objetivo de recoger información especifica como

datos de facturación y consumo.

• Entrevistas Dirigidas a propietarios, personal administrativo para obtener información

oral acerca del uso del agua y estado de los instalaciones de agua.

• Observación Directa Utilizado para que mediante la observación de los factores que influyen

en el comportamiento de la variable se haga una recolección de datos.

• Análisis de datos Técnica mediante la cual se va a organizar, describir y analizar los datos

recogidos.




3.2.3 Instrumentos

El instrumento que se utilizará para la comprobación de hipótesis es un prototipo

de software basado en componentes electrónicos (PLCs, Redes de sensores,

Actuadores) más un componente lógico, el cual permitirá conocer la variable

investigada (consumo de agua), detectar, controlar y ayudar a eliminar el 100%

de las fugas e informar sobre el consumo exacto en cada punto de toma de

información.

Para implantación del prototipo de control automático, en un departamento se

requiere la instalación de 11 nodos según la instalaciones y disposición de

válvulas de abastecimiento de agua que contiene, estos nodos constan de

válvulas electrónicas y sensores interconectadas a un centro de control

mediante una topología de red donde será gestionada la información recibida de

los nodos, consecuentemente el centro de control actuará directamente sobre

las válvulas de control de flujo de agua.

El prototipo se pondrá a prueba durante 30 días en los cuales se hará la

observación, lectura de consumo y flujo de agua para posteriormente ser

analizada y comparada con los datos de consumo anterior a la implantación del

sistema de control automático.

El prototipo de software, un sistema automático de gestión de agua, recopilará

los datos necesarios a través de sensores emplazados en estaciones remotas y

ubicadas en puntos estratégicos como estaciones de distribución capturando así

la información deseada y enviándola a través de protocolos y sistemas de

comunicaciones a un centro de control con la periodicidad deseada. Es en este

centro de control donde los datos recogidos son transformados en información

útil para facilitar la toma de decisiones a los responsables de la gestión de los

recursos hídricos.

El diseño radica en la definición, selección, parametrización y ubicación de los

tres elemento principales.




Para dotar a las estaciones remotas de la mejor localización se hacen necesario

un estudio de la topología de las redes así como la selección de los sensores y

sus tecnologías más adecuadas en base a los datos a obtener, los procesos de

captura de información deseados, el diseño de algoritmos del PLC para cada

acción y los mecanismos de validación del dato previos a su envío.

La selección de las tecnologías y

sistemas de comunicación más

apropiados pasa por la realización

de mapas de cobertura, estudios de

radio frecuencias y por la definición

de especificaciones y estándares

de los sistemas y protocolos de comunicación. Para desarrollar un centro de

control eficaz se define el SCADA (Control de Supervisión y Adquisición de

Datos) del sistema así como las bases de datos asociadas, el HMI, los

protocolos de seguridad de la información y los modelos matemáticos.

Sistema Automático de Gestión de Agua : Elementos Principales




CAPÍTULO 4: ASPECTOS ADMINISTRATIVOS

4.1. Índice Preliminar

1. Introducción 2. Justificación de la Investigación

2.1. Objetivos (generales y específicos).

2.2. Hipótesis (general y complementaria).

3. Situación Actual

3.1. Definición del Problema.

3.2. Limites del Estudio.

3.3. Definición de Términos.

3.4. Variables (dependientes e independientes).

3.5. Indicadores.

4. Marco Teórico 4.1. Antecedentes de la investigación (casos de éxitos).

4.2. Bases Teórica.

4.2.1. Estructura de un sistema automatizado.

4.2.2. Clasificación de un sistema automatizado.

4.2.3. Medios de transmisión.

4.2.4. Tecnologías.

4.2.5. Nodos.

4.2.6. Software.

5. Marco metodológico 5.1. Niveles de la investigación.

5.2. Diseño de la investigación (métodos, técnicas, instrumentos).




6. Solución Propuesta 6.1. Análisis de la Solución Propuesta.

6.1.1. Análisis de Estratégico.

6.1.2. Análisis Funcional.

6.2. Determinar fuentes de financiamiento.

6.3. Propuesta del Proyecto.

6.4. Definición de procesos del sistema.

7. Diseño de la solución 7.1. Diagrama de procesos.

7.2. Especificación de los componentes.

8. Desarrollo del prototipo 8.1. Codificación modular.

8.2. Pruebas.

9. Impacto esperado 9.1. Descripción teórica.

9.2. Validación del modelo.

9.3. Sustentación de hipótesis.

10. Conclusiones 11. Bibliografía 12. Anexo




4.2. Diagrama de actividades

Determinar Fuentes de financiamiento

Desarroollo del prototipo

Ya no va




BIBLIOGRAFIA

1. Edificio Guernica, Miraflores, Lima http://www.ingocasa.com.pe/proyectos/guernica/recorrido-virtual

2. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente http://www.pnuma.org/

http://www.pnuma.org/unidos/peru.php

3. CEDOM : Asociación española de Domótica http://www.cedom.es/

4. SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento http://www.sunass.gob.pe/publicaciones.php

5. PUBLICACION RPP: En Lima se desperdicia el 30 por ciento del agua que

ingresa a los hogares.

http://radio.rpp.com.pe/cuidaelagua/en-lima-se-desperdicia-el-30-or-ciento-del-agua-

que-ingresa-a-los-hogares/

6. Blog Juan Arellano: Aguas revueltas, la problemática del agua en el Perú. http://www.arellanojuan.com/aguas-revueltas-la-problematica-del-agua-en-el-peru/

7. BCRP e INEI: EL BOOM DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION EN EL PERU http://econoblognet.blogspot.com/2012/01/el-boom-de-la-industria-de-la.html

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8. SEDAPAL http://www.sedapal.com.pe/fugas-de-agua

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9. Domótica e Inmótica

Autor: Cristóbal Romero Morales, Francisco Vásquez Serrano, Carlos de Castro

Lozano.

Edición: 2005

ISBN: 978-84-78976-53-9

10. Domótica. Edificios Inteligentes Autor: José Manuel Huidobro Moya, Ramón Jesús Millán Tejedor.

Edición: 2004

ISBN: 978-84-92779-14-7

11. Instalaciones Automatizadas en Viviendas y Edificios.

Autor: Antonio Rodríguez Arenas.

Edición: 2005

ISBN: 978-84-96334-11-3

12. Sensor Networks and Applications Autor: Hamid Gharavi.

Edición: 2003

ISBN: 0018-9219

13. Automatización de Viviendas y Edificios Autor: José Rubén Saavedra Silveira.

Ediciones Ceac - 2009, Barcelona.

14. Eficiencia Energética en Edificios Autor: Francisco Javier Rey Martínez, Eloy Velasco Gómez.

Editorial Paraninfo, 2006.

15. Autómatas Programables. Entorno Y Aplicaciones

Autor: Enrique Mandado Pérez, Serafín Pérez López, Jorge Marcos Ace.

Edición: 2004

ISBN: 978-84-97323-28-4




16. Zigbee for Building Control Wireless Sensor Networks Autor: Fabio L. Zuccato, Clecio A. Biscassi.

Edición: 2007

ISBN: 1424406617

17. Revista CEDOM Autor: Asociación Española de Domótica (CEDOM)

Edición Numero: 09.

Publicación: Abril 2010.




ANEXOS




Anexo 1

Cuestionario Nro. 1

Formulación de preguntas para la entrevista realizada a los propietarios del edificio

Guernica:

1. ¿Cuantos m3 de agua consume normalmente al mes? (ver recibo)

2. ¿A tenido problemas de fugas de agua dentro de su departamento?

3. ¿A experimentado incrementos significativos en su consumo causados por fugas? En

cuantos m3 se incremento?

4. ¿En donde se produce la mayor parte de fugas?

5. ¿Hay otro caso, aparte de las fugas, en el que se desperdicia?

REDUCCION DEL CONSUMO DE AGUA EN EDIFICIOS...

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