SISTEMA EMBEBIDO PARA SUPERVISIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOS ...
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SISTEMA EMBEBIDO PARA SUPERVISIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOS DE UN CONTROL DOMÓTICO. HANSEL DARIO ROSERO FERNANDEZ (1080626) UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA CALI-VALLE 2016
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SISTEMA EMBEBIDO PARA SUPERVISIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOS
DE UN CONTROL DOMÓTICO.
HANSEL DARIO ROSERO FERNANDEZ
(1080626)
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA
CALI-VALLE
2016
SISTEMA EMBEBIDO PARA SUPERVISIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOS
DE UN CONTROL DOMÓTICO.
HANSEL DARIO ROSERO FERNANDEZ
(1080626)
INFORME DE PROYECTO DE GRADO
DIRECTOR DE PROYECTO DE GRAGO
JUAN CARLOS CRUZ ARDILA
Ing. Electricista.
Mg. Ingeniería
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA
CALI-VALLE
2016
3
NOTA DE ACEPTACION
___________________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
Director de Proyecto
__________________________________
Jurados 1
__________________________________
Jurado 2
Santiago de Cali, Marzo – 2016
4
AGRADECIMIENTOS
Doy gracias a mi madre la persona que me ha apoyado siempre y aconsejado para seguir
siempre adelante, a las personas que me han brindado la oportunidad de desarrollar mis
conocimientos, mejorar mis habilidades y compartir con nuevas personas las cuales me han
apoyo en lo necesario para seguir progresando. HANSEL DARIO ROSERO FERNANDEZ
5
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................................. 9
1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ............................................................................. 10
1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ......................................................................... 10
1.2 OBJETIVOS .......................................................................................................... 11
1.2.1 Objetivo general. ............................................................................................ 11
1.2.2 Objetivos específicos. .................................................................................... 11
2 ESTADO DEL ARTE .................................................................................................. 13
3 MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 17
3.1 DOMÓTICA. ........................................................................................................ 17
3.2 TIPOS DE ARQUITECTURA. ............................................................................ 18
3.3 SISTEMAS DE SUPERVISIÓN Y HMI. ............................................................. 19
3.3.1 Dispositivo de control. ................................................................................... 19
3.3.2 Sistema HMI.. ................................................................................................ 21
3.3.3 Programación. ................................................................................................ 21
3.3.4 Variables a analizar. ....................................................................................... 21
3.3.5 Tecnologías Normalmente Usadas y empresas de Domótica. ....................... 21
3.4 SISTEMAS EMBEBIDOS .................................................................................... 22
3.5 SISTEMAS A SUPERVISAR DE LA CASA ECO-SOSTENIBLE .................... 23
3.5.1 Sistema de Control Energético. ...................................................................... 23
3.5.2 Sistema de Reutilización de Aguas Grises. .................................................... 24
3.5.3 Sistema de Seguridad Patrimonial. ................................................................ 25
4 DESARROLLO DEL PROYECTO ............................................................................. 26
4.1 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ............................ 26
4.2 SELECCIÓN DEL HARDWARE ........................................................................ 29
4.3 SELECIÓN DEL SOFTWARE. ........................................................................... 29
4.4 SELECCIÓN DE LA HMI .................................................................................... 30
4.5 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES ................................................................. 32
6
4.6 DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRÓNICO PARA SUPERVISIÓN Y
ADQUISICIÓN DE DATOS ........................................................................................... 33
4.6.1 Tablet Samsung Tab 3. ................................................................................... 33
4.6.2 Divisores de voltaje. ....................................................................................... 33
4.6.3 Arduino mega adk. ......................................................................................... 34
4.6.4 Aplicación en Android. .................................................................................. 36
5 ESTADO DE RESULTADOS ..................................................................................... 39
5.1. PRUEBA 1: FUNCIONAMIENTO DE DIVISORES DE VOLTAJE ................. 39
5.2. PRUEBA 2: FUNCIONAMIENTO TRANSMISIÓN .......................................... 40
5.3. PRUEBA 3: FUNCIONAMIENTO SISTEMA COMPLETO ............................. 42
5.4. PRUEBA 3: FUNCIONAMIENTO EN VIVIENDA ........................................... 44
5.5. PUESTA EN MARCHA DEL SISTEMA ............................................................ 49
5.6. PRECIOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO .................................... 50
6 CONLCUSIONES ........................................................................................................ 51
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 54
ANEXOS ............................................................................................................................. 56
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Dispositivos y precios en el mercado .................................................................. 20 Tabla 2 Comparativa entre las diferentes HMI en el mercado. .................................... 31 Tabla 3 Definición de entradas de los diferentes sistemas al Arduino Mega ADK ..... 32 Tabla 4 Costos de Desarrollo del Proyecto. ..................................................................... 50
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LISTADO DE FIGURAS
Figura 1: Monitor de control o Touch panel --------------------------------------------------- 14 Figura 2 Touch panel -------------------------------------------------------------------------------- 15 Figura 3 Arquitectura Descentralizada ---------------------------------------------------------- 16 Figura 4 Sistema de control centralizada ------------------------------------------------------- 18 Figura 5 Configuración de un Sistema Domótico Distribuido ------------------------------ 19 Figura 6 Topología del sistema fotovoltaico implementado --------------------------------- 23 Figura 7 Sensor de nivel ON/OFF ---------------------------------------------------------------- 24 Figura 8 Tarjeta de desarrollo Arduino 2560. ------------------------------------------------- 25 Figura 9 Proceso del Funcionamiento del Sistema de Supervisión y Adquisición de
datos. ----------------------------------------------------------------------------------------------- 27 Figura 10 Diagrama de bloque del sistema de supervisión y adquisición de datos. ---- 28 Figura 11 circuito regulador ----------------------------------------------------------------------- 33 Figura 12 Configuración de Sincronización entre el Arduino y la App ------------------ 34 Figura 13 Definición de Entradas. ---------------------------------------------------------------- 35 Figura 14 variables de estado --------------------------------------------------------------------- 35 Figura 15 toma de información de las señales y envío en forma de bytes ---------------- 36 Figura 16 Diagrama de flujo del ciclo de vida de la aplicación. ---------------------------- 37 Figura 17 Diagrama de flujo del funcionamiento de aplicación. --------------------------- 37 Figura 18 Divisores de aguas Grises y Control Energético. --------------------------------- 39 Figura 19 Pruebas de Funcionamiento de los divisores y visualización en la Tablet. -- 40 Figura 20 Prueba de transmisión Led ON/OFF ----------------------------------------------- 41 Figura 21 Prueba de transmisión Led ON/OFF ----------------------------------------------- 41 Figura 22 Aplicación final primeras pruebas -------------------------------------------------- 42 Figura 23 Permisos para acceder a la aplicación y recibir datos desde el Arduino ---- 43 Figura 24 Interfaz gráfica he información de estado del sistema. ------------------------- 43 Figura 25 pruebas con el sistema patrimonial. ------------------------------------------------- 44 Figura 26 pruebas con el sistema patrimonial en la vivienda. ------------------------------ 45 Figura 27 Comprobación en tiempo real del sistema de aguas grises. -------------------- 45 Figura 28 Sistema de control de Energía -------------------------------------------------------- 46 Figura 29 Información del Proyecto -------------------------------------------------------------- 46 Figura 30 conectores de los 3 divisores ---------------------------------------------------------- 47 Figura 31 Funcionamiento de datos digitales con el sistema terminado. ----------------- 47 Figura 32 medio de conexión con el sistema de seguridad patrimonial ------------------- 48 Figura 33 Dimensión de la caja del proyecto --------------------------------------------------- 48 Figura 34 Conexión tierra(GND), conexión con el sistema de seguridad patrimonial. 49 Figura 35 conexión de encendido numero siete, USB numero ocho, conexión para el PC
numero nueve. ----------------------------------------------------------------------------------- 49 Figura 36 Fecha y Hora de la aplicación.-------------------------------------------------------- 50
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RESUMEN
Este proyecto de grado se suma al trabajo de investigación denominado: Construcción de un
prototipo para una casa de carácter sostenible donde participaron los programas de Ingeniería
Electrónica, Materiales y Arquitectura. El trabajo se desarrolla a partir de una necesidad de
unificar tres sistemas que funcionan independientemente en una vivienda sostenible y poder
monitorearlos por medio de un sistema HMI. Para ello se realiza una investigación que
responde a la pregunta qué sistema embebido electrónico permite unificar y supervisar tres
procesos: Control energético, reutilización de aguas grises, seguridad patrimonial.
El sistema embebido desarrollado se implementó en tres etapas: la primera etapa, consta de
un hardware (Arduino) el cual permite la obtención de señales análogas y digitales de los
sistemas individuales, las cuales fueron tratadas para ser enviadas en forma de bytes; la etapa
dos, consta de una Tablet que funciona como el dispositivo de interacción con el usuario
(HMI), la cual se le instaló una aplicación desarrollada en Android y; La etapa tres, es el
proceso de acople de hardware y software para comprobar un correcto funcionamiento de
envío de información y visualización para el usuario. Se muestran las pruebas realizadas para
verificar el funcionamiento en cada etapa y se registra la respuesta del dispositivo completo.
Finalmente, en los resultados, se puede verificar la necesidad de implementar dos divisores
de voltaje para poder garantizar la supervisión del sistema de energía y del reuso de aguas
grises, porque ellos no contaban con una salida que facilitara el seguimiento a su
funcionamiento. Como resultado se obtuvo un sistema embebido electrónico capaz de
supervisar tres sistemas embebidos electrónicos implementados en una vivienda, permitiendo
que el usuario tenga conocimiento de la operación de cada uno de esos dispositivos sin tener
que acudir a una inspección visual de cada uno de ellos.
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1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Se está desarrollando un trabajo de investigación orientado hacia una casa Eco-
sostenible, donde participan los programas de; Arquitectura, Ing. Materiales e Ing.
Electrónica de la universidad san buenaventura Cali. Desde la electrónica se propone
diseñar tres sistemas electrónicos:
1) Reutilización de Aguas grises.
2) Generación de energía eléctrica a partir de fotovoltaica.
3) Protección patrimonial.
Se está realizando la implementando de los tres sistemas para una vivienda Eco-
sostenible, la cual no posee un sistema para adquisición y supervisión de las señales
presentes. El problema fundamental es que los sistemas funcionan
independientemente y cada uno tiene sus propias variables y señales de control. El
usuario no tiene forma de supervisar su funcionamiento ni de verificar los estados
actuales de los procesos a controlar.
El problema a resolver se plantea desde el siguiente interrogatorio.
¿Cuál es el sistema electrónico embebido de costo accesible, en relación con los
sistemas del mercado actual, para facilitar la adquisición y supervisión de las señales
de un control domótico que involucra tres procesos: energía fotovoltaica, reuso de
aguas grises y protección patrimonial de una casa eco- sostenible?
11
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo general.
Construir un sistema electrónico embebido de costo accesible en relación con los
sistemas del mercado actual, para facilitar la adquisición y supervisión de las
señales de un control domótico de tres procesos - energía fotovoltaica, reuso de
agua y protección patrimonial de una casa eco-sostenible.
1.2.2 Objetivos específicos.
Escribir el estado del arte donde se relacionen las diferentes aplicaciones que
puedan ser utilizadas para el desarrollo del proyecto.
Seleccionar el Software y dispositivo HMI para la acción de adquisición y
supervisión de las señales de control.
Programar el dispositivo HMI para el monitoreo y supervisión del
comportamiento de las variables.
Diseñar el Sistema Embebido que permitirá la toma de los datos de los tres
procesos a supervisar.
Verificar la correcta operación del sistema de adquisición y supervisión a
través de pruebas funcionales.
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1.3 JUSTIFICACIÓN
Es importante desarrollar un sistema que concentre los tres procesos para la adquisición y
supervisión de las señales para el control domótico, esto permitirá que el usuario tenga
conocimiento del estado actual del funcionamiento de cada uno de ellos al interior de la
vivienda.
Este trabajo se construirá en un aporte significativo al proyecto de la casa Eco-sostenible,
liderada por los tres programas de la Universidad de San Buenaventura Cali, el cual permite
la supervisión de aplicaciones electrónicas, que están en sintonía con el concepto de
sostenibilidad y calidad de vida. En la medida que la solución dada al problema se ajuste a
los parámetros exigidos por la investigación de la casa Eco-sostenible, se podrá dar mayor
valor agregado a una casa que por sus condiciones de bajo costo, será accesible a personas
de recursos moderados.
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2 ESTADO DEL ARTE
Desde hace tiempo las viviendas únicamente se suplían de muebles, y en algunas electricidad,
más adelante se fueron implementando los equipos informáticos y los electrodomésticos. Así
mismo como se fueron desarrollando e implementando cada uno de estos avances, hasta
conseguir una integración sencilla de apertura de puerta, y encendido de luces de forma
remota.
Con la creación del protocolo de comunicación X-10 en 1976 Escocia (Anca, 2009), se
comienza una gran carrera por implementar esta tecnología con las edificaciones y las
viviendas. El X-10 fue principalmente utilizado en las industrias para optimizar los procesos
y beneficios de estas. (Rojas Medina & Puentes Robles, 2013)
Este protocolo permitió la comunicación entre dispositivos electrónicos y eléctricos por
medio de la energía AC. Con este desarrollo las personas y compañías comenzaron a explorar
un mundo de nuevas posibilidades para mejorar la interacción de las personas con los
dispositivos electrónicos. En los Estados Unidos se utilizó mucho este protocolo pero en
Europa fue donde más acogida y evolución tuvo. Poco a poco se empezó a conocer los
beneficios de implementar la domótica en las viviendas, a medida que se desarrollaba las
tecnologías informáticas y los dispositivos eléctricos. La domótica llegara a convertirse en
una parte fundamental de las viviendas. (Lastra de la Fuente, 2013)
Barrera describe un sistema domótico, basado en Java, en el cual, una tarjeta embebida es
conectada a todos los dispositivos del hogar, facilitando la comunicación entre sí, o
ejecutando alguna función predetermina por el usuario. El sistema permite el acceso remoto
mediante un computador, permitiendo que este se comporte como un servidor web. (Barrera
Durango, 2012)
Para que la incorporación de la tecnología fuese posible en los hogares se tuvo en cuenta el
gran desarrollo del microprocesador y sus múltiples aplicaciones. Asimismo, la nueva
tecnología de los automatismos de maniobra, gestión y control de los diversos equipos en
14
una vivienda, que permiten aumentar el confort del usuario, su seguridad y el ahorro
energético. Es muy importante tener en cuenta que la domótica no es simplemente aplicable
a las viviendas sino también a edificaciones y ciudades. Pero para cada una de ellas existe un
nombre diferente, para los edificios se denomina inmótica y para las ciudades urbótica
(control de iluminación públicos, gestión de semáforos, entre otras). (Buendía, 2009),
(Domotica, 2009).
Si bien se sabe que los sistemas de control y visualización varían en muchas formas: tamaños,
dinero, software y Hardware, esto hace que se tenga muy en cuenta lo que se quiere diseñar
y conocer los requerimientos del cliente. Lo más importante cuando se habla de supervisión
domótica es la forma en que los usuarios visualizaran las tareas ejercidas por los distintos
dispositivos instalados en la vivienda. Surgen así los llamados paneles de comunicación los
cuales permiten controlar y supervisar electrodomésticos, sistemas de seguridad,
luminosidad, puertas, entre otros. En las figuras 1 y 2 se observan algunos modelos de paneles
los cuales permiten control y supervisión de los diferentes sistemas. (Buendía, 2009),
(Bonino & Corno, 2011), (Javier, 2010)
Figura 1: Monitor de control o Touch panel
Fuente: La domotica: nuevas formas de entender la vivienda (Javier, 2010)
15
Figura 2 Touch panel
Fuente: La planificacion de la instalacion domotica en el hogar (Domotica, 2009).
No basta solo con tener la interfaz también se debe conocer; los otros sistemas que en
conjunto hacen de las pantallas HMI (Human Machine Interface) algo interesante. Para ello
es importante conocer las nuevas tecnologías en el ámbito de las comunicaciones y redes de
transmisión de datos, que permiten comunicarse entre sí y permiten que sea más sencillo el
poder implementar estas tecnologías, como también observar la arquitectura a implementar
para saber cómo se debe distribuir todos los elementos. (Buendía, 2009), (Bonino & Corno,
2011), (Javier, 2010) (Rocamora, 2008)
La arquitectura centralizada es una estructura muy utilizada cuando se piensa en diseñar un
sistema sencillo, de muy bajo costo y sin muchas variables, esto permite que sea sólida al
momento de trabajar con la información, y saber el proceso que se están llevando a cabo de
otros elementos acoplados a una sola unidad de central de control. Pero la gran falencia es la
pérdida de información en caso de que se llegase a presentar una falla en la unidad central o
en los momentos de ejecutar acciones simultaneas. (Javier, 2010)
Se debe tener en cuenta que no siempre es útil la arquitectura centralizada, por esto se
desarrolla la arquitectura descentralizada, esta permite ejecutar tareas al mismo tiempo, o
porque no depende la toma de decisión de una unidad central, si no que cada sistemas, por
separado toma sus propias acciones y simplemente se la informan al control central. Esto
conlleva costos más elevados y más complejo la distribución de los dispositivos. En la Figura
4 se observa cómo está diseñada esta arquitectura. (Javier, 2010), (Rocamora, 2008).
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Figura 3 Arquitectura Descentralizada
Fuente: Proyecto de instalación domótica en un hotel. (Lastra de la Fuente, 2013)
Como cualquier tecnología implementada para el desarrollo de monitoreo en las viviendas,
edificaciones entre otras construcciones, se debe estar siempre enterado de los constantes
cambios que se presentan en las variables de monitoreo. Del mismo modo la implementación
y la búsqueda de nuevas y mejores tecnologías para el usuario que permita ofrecer un mejor
servicio. Se debe conocer también qué se está implementando en el mercado para poder
competir en él y siempre tener la posibilidad de sobrepasar las expectativas que allí se
generan.
Conocer las funciones de los sistemas que se visualizan en la HMI es de gran importancia
para poder saber cuál de estos deben tener un control manual porque la domótica es un
complemento, de la vida cotidiana. Por ende si algún equipo o electrónica falla debe de seguir
controlando los electrodomésticos, luces, puertas de forma manual. (Nuez, 2010), (Miori,
Russo, & Concordia, 2012), (García, 2011).
Se está trabajando en proyectos relacionados con la automatización en lo que se refiere a
sistemas de control, porque es la era de la información y el desarrollado a gran velocidad de
nuevas tecnologías. Tales proyectos de automatización constan de la implementación de
equipos usados cotidianamente como, los celulares, tablets, portátiles, televisión con
tecnología Android, relojes inteligentes, entre o tras.
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3 MARCO TEÓRICO
3.1 DOMÓTICA.
En el momento en que se empezó a usar la domótica en las viviendas, se pensó en utilizar un
medio que estuviese desarrollado y que no fuese complicado de manipular, esto llevó a
estudiar y a usar la alimentación eléctrica para obtener los datos y para realizar acciones: de
monitoreo o de control. Los equipos domésticos no tenían ningún tipo de comunicación entre
sí, todo se controlaba de forma independiente y llegaba a un mismo punto de control para su
debida gestión.
El sistema de monitoreo y control de una casa Domótica, es de gran importancia ya que este
proporciona la información de los estados de las variables que se estén utilizando en la
vivienda, tales como: control de aguas grises, Sistema de energía fotoeléctrico, entre otros.
La Domótica brinda diversas aplicaciones tales como automatizar, controlar e integrar
sistemas eléctricos y electrónicos en la vivienda, para mejorar la calidad de vida. Es
importante conocer algunos de los beneficios que nos ofrece para poder entender por qué se
ha vuelvo necesaria en nuestras vidas, algunos de los beneficios son:
Control de iluminación
Ahorrar energía
Ahorro de dinero en servicios
Seguridad patrimonial
(Collazos S. & Rodriguez O., 2014), (Cuervo B. & Sanchez M., 2013), (Anca, 2009).
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3.2 TIPOS DE ARQUITECTURA.
La domótica cuenta con distintas formas de conectar los componentes que permiten el control
y adquisición de datos de las variables. Uno de estas es la Arquitectura Centralizada, la cual
está conformada por un elemento central del que dependen el resto de elementos, esto quiere
decir, que todas las señales que detectan y actúan se analizan en un único punto que es la
unidad central (ver figura 4). Suelen ser de tipología en estrella. La una gran ventaja de esta
arquitectura es su bajo costo, ya que los elementos no necesitan módulos de direccionamiento
ni interfaces para distintos buses. Además, la instalación es sencilla y se pueden utilizar un
gran número de elementos comerciales ya que los requisitos que se les exigen son mínimos.
Por otro lado, si la unidad central fallara, esto haría que todo el sistema dejara de funcionar.
(M & M., 2008)
Figura 4 Sistema de control centralizada
Fuente: Proyecto de instalación domótica en un hotel. (Lastra de la Fuente, 2013)
La Arquitectura Distribuida, no necesita de un elemento central sino que cada elemento debe
tener una cierta inteligencia para saber a quién mandar la información que recogen (sensores)
o qué información usar (actuadores), es decir, cada elemento dispone de la capacidad
suficiente para trabajar de forma autónoma. La configuración de este sistema suele tener una
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topología tipo bus (ver figura 5). La principal ventaja de esta topología es que tiene mucha
facilidad para las posteriores reconfiguraciones del sistema, siendo así muy flexible.
Figura 5 Configuración de un Sistema Domótico Distribuido
Fuente: Proyecto de instalación domótica en un hotel. (Lastra de la Fuente, 2013)
3.3 SISTEMAS DE SUPERVISIÓN Y HMI.
3.3.1 Dispositivo de control. Es un dispositivo que permite la interacción entre diferentes
sistemas. Se debe Tener en cuenta las variables a analizar, velocidad de respuesta,
método en la que se muestra la información y costo del dispositivo. Con el fin de
proporcionar control y supervisión de forma que se pueda interpretar fácilmente la
información mostrada. Pensando en ello se llevó a cabo un análisis de los diferentes
dispositivos de control en el mercado actual, en la tabla 1 se pueden observar algunos
de ellos.
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Tabla 1 Dispositivos y precios en el mercado
Fuente:http://www.loxone.com/enen/start.html,http://alhenaing.com, https://www.arduino.cc
Se puede determinar que los dispositivos de control son indispensable para la
automatización de una vivienda domótica, pero los altos costos de estos dispositivos
ha creado la necesidad de nuevos métodos de control con las tecnologías actuales y
se ha disparado la creación de nuevas empresas y mejoras en los dispositivos de las
antiguas empresas, para mejorar tanto calidad de servicio como costos de hardware.
(Cabra, 2011), (Madrid, 2009)
Dispositivos Sistema
Operativo Desempeño Precios
MINISERVER
Loxone OS. Gratuito
Procesador de 400MHz, 64 MB memoria RAM (10MB sistema operativo), CLK 50 Hz ajustable, consumo 120mA a 24V (1.2 – 2.4W). Soporta temperaturas de 0 – 50°C.
$ 1.494.000
INSTEON
Alhena TouchHome.
Señales RF y PLC, Alimentación 110/220V, 50/60 Hz Frecuencia RF 915MHz, alcance 50m al aire libre. Temp. 0-40°C. EEPROM.
$ 750.000
ARDUINO MEGA
Android Gratuito
Voltaje de trabajo 6-20V. 54 pines E/S (15 proporcionan PWM).16 pines análogos, DC corriente I/O 40mA. Memoria Flash 256KB, SRam 8KB, EEPROM 4KB. CLK 16MHz.
$ 184.000
LOGO
LOGO! Soft Comfor.
Alimentación, 110Ac- 240, Frecuencia 50/60 Hz, voltaje de salida 19V. 24 In Digit, 16 Out Digit. 8 in An y 2 out An. Ethernet. Temp. 0-55°C.
$ 1’000.000
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3.3.2 Sistema HMI. Dispositivo donde llegan los datos del o los dispositivo que tienen la
información y permite que el usuario pueda observar el funcionamiento de los
sistemas por medio de una pantalla que se encuentran en la Casa Eco-Sostenible.
3.3.3 Programación. Existen varios métodos de programación, entre ellos está la
programación por PLC, esta es una de las formas de programación más conocidas en
el mundo de las industrias y que también se ha utilizado en algunos lugares para la
automatización de viviendas y apartamentos.
Programación por Java este es un lenguaje muy utilizado en muchos programas, es
muy fácil de entender, y se utiliza en la programación de Android, existe también la
programación en sistemas embebidos Arduino el cual maneja programación en C++.
Existen también algunos métodos de programar tales como: C#, .NET, PHP, HTML5
entre otros.
3.3.4 Variables a analizar. Son variables entregadas por dispositivos tales como: sensor
de movimientos, sensor de humedad, sensor de nivel, sensor de nivel de batería. Los
cuales se instalan en las viviendas y mandan señales análogas o digitales para el
debido control o supervisión.
3.3.5 Tecnologías Normalmente Usadas y empresas de Domótica. Se encuentra
actualmente en el mercado una gran variedad de tecnologías con la cual se puede
automatizar una vivienda. Estas tecnologías van desde un sistema que se maneje
desde un celular o computador hasta aquellos instalados en las viviendas para que
tomen algunas de las decisiones menos riesgosas y previamente programadas para
facilitar la vida del usuario. Pero estas tecnologías no son asequibles a todo el público,
solo aquellos que posean una capacidad económica alta podrán tener estos sistemas.
En Colombia existe una empresa llamada Control 4 que se especializa en
automatización, esta compañía le cotiza a una persona, un sistema domótico (control
22
de iluminación, cortinas, puertas, video portero) de automatización con un costo
mínimo de $ 3.500.000, lo que contribuye un valor que es asumido por el cliente con
cierta condición económica. Otra empresa muy conocida que se especializa en
domótica, especialmente en automatización en zonas industriales, su nombre es
SIMENS, y el costo del componente más básico para un control en las viviendas es
al menos $ 500.000 pesos, solo es el Hardware, más $80.000 o 100.000 que cuesta
el software, más el sistema de cableados que cuesta unos $ 60.000, más rack con rieles
para estos dispositivos $200.000. Llegando a un total de $ 940.000 pesos colombianos
sin contar con la ingeniería de detalle. Adicionalmente, el software de este sistema es
diseñado exclusivamente por la empresa.
Se analizó también la empresa LOXONE-España, esta empresa utiliza un sistema
capaz de adaptarse a ambientes externos; lo que permite expandir el control domótico
fuera de una vivienda sin preocuparse por el clima. Este dispositivo se construye por
bloques dependiendo de las necesidades de cada cliente, y de la cantidad de dinero
dispuesto a invertir. El precio del sistema de control oscila entre $ 1.079.000 –
1.100.000 pesos colombianos, sin contar con mano de obra ni conexiones.
3.4 SISTEMAS EMBEBIDOS
El sistema embebido es una unidad electrónica, la cual se utiliza para realizar tareas
determinadas. Aporta cierto grado de autonomía y agilidad en procesos que se estén
llevando a cabo, por lo tanto es necesario mencionar que hay tarjetas de desarrollo que
han sido diseñadas para implementar sistemas embebidos, las cuales tienen un costo
moderado en comparación a un sistema utilizado normalmente en la domótica, este
sistema tiene grandes flexibilidades y posee buenas capacidades para determinado
proyecto propuesto de esta índole. La compatibilidad de enviar y obtener información
de diferentes maneras hace que los Arduinos tengan una gran acogida en el mercado
actual para trabajar múltiples proyectos.
23
3.5 SISTEMAS A SUPERVISAR DE LA CASA ECO-SOSTENIBLE
Como se menciona en el capítulo 1, se desarrollaron 3 sistemas de forma independiente
para realizar tareas definidas tales como:
Control energético
Reutilización de aguas grises
Seguridad patrimonial
3.5.1 Sistema de Control Energético. Sistema desarrollado para independizar la
iluminación de la red eléctrica de una vivienda por medio de un panel solar y una
batería, permitiendo así ahorro significado en el cobro de energía suministrada por la
ciudadanía. Este desarrollo conserva la opción de acceder a la red eléctrica en caso
de falla del sistema fotovoltaico. Este sistema se construyó sin tener previsto un
circuito posterior para el monitoreo de su funcionamiento. En la figura 6 se aprecia
el montaje que se realizó y la batería de la cual se tomará la señal para el sistema de
adquisición y supervisión. (Gómez Cardona Juan Carlos, 2013)
Figura 6 Topología del sistema fotovoltaico implementado
Fuente: Gómez Cardona Juan Carlos, P. H. (2013). Aplicación electrónica para el ahorro de
energía eléctrica utilizando una energía alternativa. 239-246.
24
3.5.2 Sistema de Reutilización de Aguas Grises. Proyecto desarrollado para el
tratamiento de aguas grises y reutilización de estas en una vivienda. Este comienza
con la obtención de aguas que provienen del lavamanos, lavadoras, duchas y aguas
de lluvia. Posteriormente pasan por dos filtrados para limpiar el agua y enviarlas a un
tanque de almacenamiento para su reutilización. Estos tanques cuentan con un sensor
de nivel los cuales son los encargados de medir si el tanque está lleno o vacío para
que la bomba permita el paso de agua. En la figura 7 se observa el sensor de nivel del
cual se tomará la información para el sistema de adquisición y supervisión. (Cuervo
B. & Sanchez M., 2013)
Figura 7 Sensor de nivel ON/OFF
Fuente: Cuervo B., J. C., & Sanchez M., L. K. (2013). Sistema de Control para Reutilizacion
de Aguas residuales. Cali - Valle: Universidad San Buenaventura Cali.
25
3.5.3 Sistema de Seguridad Patrimonial. Sistema desarrollado con el propósito de
mejorar la seguridad en la vivienda, para ello se utilizan sensores de proximidad
ubicados por fuera de la vivienda y un sensor de gas dentro. Los sensores detectan la
presencia de un individuo si se acerca a la propiedad mandando una señal al sistema
de control y por medio de un módulo GSM/GPRS que tiene una sin card con saldo
para enviarle mensajes de texto al usuario, reportándole la novedad que se presente
en un momento determinado. En la figura 8 se observa la tarjeta de desarrollo
utilizada para el control de este proyecto y de la cual se tomará información para
enviarla al sistema de supervisión y adquisición de datos.
Figura 8 Tarjeta de desarrollo Arduino 2560.
Fuente: Collazos S., A. L., & Rodriguez O., A. L. (2014). Proteccion patrimonial de vivienda
rural usando sistema electronico. Cali - Valle: Universidad San Buenaventura Cali.
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4 DESARROLLO DEL PROYECTO
4.1 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
Este proyecto de grado se suma al trabajo de investigación denominado: Construcción
de un prototipo para una casa de carácter sostenible donde participaron los programas
de Ingeniería Electrónica, Materiales y Arquitectura. Con esto se busca un ahorro
significativo en lo que trata de servicios públicos y mejorar la calidad de vida.
El sistema inicia con la toma de información de los tres sistemas. El primer sistema es
el de control energético el cual no posee información digital para supervisar su
funcionamiento por tal motivo se toma el voltaje de la batería para mostrar en la HMI
su estado de carga o descarga. El segundo proyecto es el de reutilización de aguas
grises; este tampoco cuenta con información digital, de tal manera que se toma el valor
de los sensores que se encuentran dentro de los tanques para mostrar en la HMI si estos
están vacíos o llenos. El tercer sistema que es el de seguridad patrimonial posee un
Arduino Mega del cual se pretende tomar 4 señales que se conectaran al sistema de
supervisión y mostrar en la HMI si hay intrusos o no. Una vez con la información clara
se procede a buscar una forma de llevar los datos análogos de dos de los sistemas en
la vivienda y convertirlos a digitales, el sistema de seguridad patrimonial posee la
información digital por lo cual no fue necesario realizar un proceso como tal de
conversión si no buscar la manera de tomar esos datos ya que en este sistema trabajan
varios dispositivos diferentes(ZigBee, módulo GSM/GPRS) y cado uno está conectado
a un Arduino Mega el cual se programó para que envié la información que le llega al
sistema de supervisión y adquisición de datos.
Una vez tenidos los datos se procede con la configuración de la información entrante
al dispositivo Arduino Mega ADK, luego se envía esa información en forma de bytes
por medio de cable USB a la aplicación que correrá el dispositivo la Tablet. A esta le
llega una configuración realizada por computador con un nombre de archivo
27
‘home.apk’ esta se instala en el dispositivo y se genera una visualización de la
información que le envía el Arduino.
Figura 9 Proceso del Funcionamiento del Sistema de Supervisión y Adquisición de
datos.
Fuente: Autor
28
Figura 10 Diagrama de bloques del sistema de supervisión y adquisición de datos.
Fuente: Autor
Los requerimientos del sistema a desarrollar son:
Dispositivo HMI que funcione como pieza fundamental para visualizar la
información.
El sistema debe poseer lectura de datos provenientes de los tres sistemas (aguas
grises, control Energético y seguridad patrimonial).
El sistema HMI se alimentará por USB en conexión con el Arduino.
El Arduino se alimentará por adaptador de 5V.
La transferencia de información que llegara a la HMI del Arduino ADK será por
cable USB.
Tres entradas análogas con divisor de voltaje para toma de información de dos
sistemas (aguas residuales y control energético).
29
Numeración por color para conexión con el sistema de seguridad patrimonial.
Plataforma de desarrollo para crear interfaz gráfica (Android).
Plataforma de desarrollo para toma de información digital Arduino.
4.2 SELECCIÓN DEL HARDWARE
Tomando como base los sistemas implementados en la vivienda, disponibilidad de los
dispositivos en el mercado, la necesidad de visualización de la información para el
usuario y una investigación sobre cómo podría evolucionar la domótica. La mejor
opción fue; el sistema ARDUINO MEGA ADK, por que cumple con uno de los
requisitos el cual es la toma de información ya se sea análoga o digital, y poder
transmitirlas a cualquier dispositivo con que posea puerto USB. El costo moderado
que la hace que asequible. La flexibilidad que posee para interactuar con otros
elementos tales como; Ethernet shield, raspberrys, sistemas embebidos con propósitos
debidamente definidos. Posee cincuenta y cuatro entradas digitales de las cuales 15
proporcionan salida PWM, esto la hace muy favorable para trabajar muchas
actividades. También favorece a la hora de desarrollar la interfaz gráfica porque es
compatible con el software libre de Android, el cual permite la compatibilidad con
cualquier equipo móvil, ya sea Celular o Tablet.
4.3 SELECIÓN DEL SOFTWARE.
El software elegido fue el Android, por su compatibilidad de la información con la
tarjeta de desarrollo Arduino, porque es un software de código abierto, las proyecciones
a futuro son muy altas, muchos dispositivos del mundo, celulares, Tablet, televisores
entre otros, usaran este sistema operativo. Es un software que aparte de ser libre tiene
la particularidad de trabajar con varios métodos de programación pero principalmente
se trabaja en java. Cuenta con una plataforma de desarrollo llamada Eclipse que
30
posteriormente cambio a Android Studio, y sus principales archivos sobre los cuales se
trabajan son:
MainActivity.java. Donde se realiza las actividades principales de la app.
Carpeta res. Está compuesta por varios archivos que permiten realizar la parte
gráfica y parte lógica de la aplicación.
AndroidManifest.xml. En el AndroidManifest se configuran los permisos
necesarios para acceder a servicios adicionales tales como conectar a internet,
o hacer vibrar el celular cuando llegue una notificación y para poder trabajar
en las actividades de la aplicación.
4.4 SELECCIÓN DE LA HMI
El dispositivo HMI que se eligió fue una Tablet Samsung Galaxy Tab 3, porque es
compatible con el software de desarrollo Android. Además la versión de Android que
posee la Tablet es compatible con librerías del 2011 y 2012 para la sincronización del
Arduino. Por disponibilidad en el mercado, la viabilidad de aplicar tecnología actual y
que será muy utilizada a futuro. Y posteriormente pueda emigrar a diferentes
dispositivos con Android. Una gran función por el cual se escoge este dispositivo es
porque se puede usar en cualquier parte de la vivienda, no tiene que estar en un punto
fijo ya que es posible realizar una conexión por los tomas del cable de televisión y
ubicar los puertos USB donde se requieran. Se eligió también este dispositivo porque
puede conectarse a la red WIFI que permitiría el monitoreo de los sistemas por la red
sin necesidad de cableado. En la tabla 2 se presenta una tabla comparativa de los
diferentes dispositivos HMI en el mercado.
31
Tabla 2 Comparativa entre las diferentes HMI en el mercado.
Dispositivo Especificaciones Precio
ASUS
Sistema Op. Android 4.4
Procesador: Intel® Atom™ x3
C3230 QuadCore
Ram:1 GB
USB.
7 inch
Disco duro: 8GB
Garantia: 12 meses
$ 429.000
TABLET ANDROID 9
Sistema Op. Android 4.2
Procesador: doble núcleo
Ram:1 GB
USB.
9 inch
Disco duro: 8GB
Garantía: 6 meses
$ 170.000
SAMSUNG GALAXY TAB
Sistema Op. Android 4.3
Procesador: doble núcleo
Ram:1 GB
USB.
7 inch
Disco duro: 8GB
Garantía: 12 meses
$ 360.000
SIMON VITA EMPOTRAR
Alimentación: 24V
Conexión USB y RS485.
Dimenciones: 195x295x45 mm
Garantía: 24 meses
$ 4.161.300
Fuente: http://www.alkosto.com/tablet-asus-zenpad-z170-3g-blanco,
http://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-418819788-tablet-android-9-digital-2-wifi-
8gb-memoria-1gb-ram-btooth-_JM, http://www.samsung.com/es/consumer/mobile-
devices/tablets/galaxy-tab/SM-T2100ZWAPHE,
http://www.simondomotica.es/pdf/81220-38.pdf
32
4.5 IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES
Si bien se entiende es necesario saber cómo funcionan los demás sistemas que
conforman la casa eco sostenible, y una vez entendido el funcionamiento es necesario
saber cómo tomar esa información para unificarla y que un usuario comprenda lo que
hace cada proceso. Para ello se diseña la siguiente tabla de los datos que se
seleccionaron y como se visualizara en el dispositivo HMI.
En el dispositivo HMI se visualizaran los datos de forma que el usuario comprenda que
se está presentando un evento, el número cero, dato que llega por USB significa que
no se está presentando ninguna novedad y el uno que hay novedad (0 = S.N (sin
novedad), 1= N.P (novedad presente)).
Tabla 3 Definición de entradas de los diferentes sistemas al Arduino Mega ADK
SISTEMAS FUNCION SEÑALES
ENTREGADA
VISUALIZACIO
N EN LA
TABLET
ENTRADA
ARDUINO
ADK
Seguridad
patrimonial
Sensor zona 1 On/Off (0V-5V) Sin novedad/hay
intruso
DIGITAL/
#22
Sensor zona 2 On/Off (0V-5V) Sin novedad/hay
intruso
DIGITAL/
#23
Sensor zona 3 On/Off (0V-5V) Sin novedad/hay
intruso
DIGITAL/
#24
Estado Sensor
de gas
On/Off (0V-5V) Sin novedad/hay
escape de gas
DIGITAL/
#25
Reutilización
aguas grises
Nivel Tanque
principal
On/Off (0V-12V) Vacío/lleno DIGITAL/
#30
Nivel Tanque
reservorio
On/Off (0V-12V) Vacío/lleno DIGITAL/
#31
Control
Energético
Estado Batería Análoga descargada/carga
da
DIGITAL/
#33
Fuente: Autor.
33
4.6 DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRÓNICO PARA SUPERVISIÓN Y
ADQUISICIÓN DE DATOS
Principalmente para este proyecto se utilizaron:
4.6.1 Tablet Samsung Tab 3. Se comporta como el dispositivo de visualización de la
información que llega del Arduino. La Tablet se configura para poder trabajar como
desarrollador y se le hacen ajustes root (se obtienen los permisos para hacer cualquier
actividad sin restricciones).
4.6.2 Divisores de voltaje.
Debido a que los sistemas de reuso de aguas grises y control energético no cuentan
con una salida indicadora del estado actual de sus procesos, fue necesario pensar en
una solución para poder interconectarlos con el sistema de supervisión. Para lograrlo
se desarrollaron 3 divisores de voltaje, que se conectaron cada uno con los sistemas
nombrados. Este circuito está conformado por un relé, una entrada para el voltaje de
12V que se toma de los sistemas mencionados, y dos resistencias en serie las cuales
poseen una tolerancia del 5% y valores de 4.7kohm y 6.8k ohm.
Figura 11 circuito regulador
Fuente: Autor
Calculo de las resistencias:
𝑉𝑜 =𝑅2
𝑅1+𝑅2∗ 12𝑉
5 = 𝑅2
𝑅1+𝑅2∗ 12𝑉
34
5𝑅1 = 7𝑅2
Suponiendo que R1 = 7K y despejando R2
5
7=
𝑅2
𝑅1
R2= 5k se aproximan a los valores comercial más cercano.
I= 1.0 mA
4.6.3 Arduino mega adk. Sistema embebido el cual captará la información de los otros
sistemas y permitirá la llevar esa información al dispositivo móvil como ya se
mencionó en la sección 4.2.
4.6.3.1 Configuración del Arduino mega adk. Luego de tener los elementos clave se
procede a realizar la configuración del Arduino para la toma de datos. Se realizan
pruebas en la ventana de simulación del programa Arduino, una vez realizadas se
procede con la definición de las funciones necesarias para la sincronización con el
dispositivo móvil y definición de entradas digitales del Arduino. En la Figura 11 se
aprecia la configuración de librerías necesarias para la toma y envío de información
entrante, y la sincronización con la Tablet que se realiza por el comando
AndroidAccessory. En la Figura 13 se definen las entradas del Arduino Mega ADK
a utilizar.
Figura 12 Configuración de Sincronización entre el Arduino y la App
Fuente: Autor
35
Figura 13 Definición de Entradas.
Fuente: Autor
En la figura 14 se observa la creación de 7 variables, asociadas con la cantidad de
señales enviadas por los tres sistemas, y se configura como entrada las variables
mostradas en la figura 8.
Figura 14 variables de estado
Fuente: Autor
La figura 15 presenta la toma de información de las entradas, se guarda el valor
tomado en la variable msg para posteriormente enviarla por el puerto USB.
36
Figura 15 toma de información de las señales y envío en forma de bytes
Fuente: Autor.
Una vez realizada esta configuración se procede a la programación de comunicación
con la app diseñada.
4.6.4 Aplicación en Android. Para el diseño de la aplicación se comienza con la
configuración de sincronización con la tarjeta Arduino por medio USB. Se diseña
una aplicación que enciende y apaga un led para comprobar que la sincronización de
envío y recepción de datos esté funcionando correctamente, esto con el fin de saber
tiempos de respuesta del sistema Arduino y el HMI, en condiciones de control y
supervisión. En el capítulo de pruebas se observa el funcionamiento de la transmisión
de información. Se anexa aun cd todo el código en Android por su extenso contenido.
En el anexo 1 se encuentra el código en Android.
Posteriormente se procede a diseñar la aplicación final y sus diferentes versiones, esta
aplicación la cual solo capturara información en forma de byte del Arduino y la
37
mostrará en el dispositivo móvil. Esta información se ha dividido en tres Tabs
principales.
Seguridad patrimonial.
Aguas Grises
Control Energético
En la figura 16 y 17 se aprecian los diagramas de flujo tanto del ciclo de vida de la
aplicación como el proceso que realiza.
Figura 16 Diagrama de flujo del ciclo de vida de la aplicación.
Fuente: http://www.androidcurso.com/index.php/tutoriales-android/37-unidad-6-multimedia-y-ciclo-
de-vida/158-ciclo-de-vida-de-una-aplicacion.
Figura 17 Diagrama de flujo del funcionamiento de aplicación.
38
39
5 ESTADO DE RESULTADOS
Se definieron una serie de pasos a tener en cuenta para la realización de las pruebas de cada
uno de los componentes del sistema:
Prueba 1: funcionamiento de los divisores de voltaje
Prueba 2: funcionamiento trasmisión
Prueba 3: funcionamiento del sistema completo.
Prueba 4: funcionamiento en la vivienda.
5.1. PRUEBA 1: FUNCIONAMIENTO DE DIVISORES DE VOLTAJE
La primera prueba que se realiza, es el funcionamiento de los divisores de voltaje, para
ello se conectan a una fuente de 12V esto genera un cierre en el relej y los divisores
reducen el voltaje a una señal de 5V los cuales van a una entrada digital del sistema
Arduino mega ADK el cual la procesa, y determina que se ha generado un cambio de
estado en las variables de los sistemas de aguas residuales o control energético. En la
figura 18 se muestra el diseño final de los divisores de voltaje. La prueba se observa
en la figura 19.
Figura 18 Divisores de aguas Grises y Control Energético.
Fuente: Autor
40
Figura 19 Pruebas de Funcionamiento de los divisores y visualización en la Tablet.
Fuente: Autor
5.2. PRUEBA 2: FUNCIONAMIENTO TRANSMISIÓN
La segunda prueba realizada fue la verificación de transmisión de la información
enviada por USB, dicha prueba se puede apreciar en las figuras 20 y 21, con un
encendido y apagado del LED que se encuentra en la protoboard.
41
Figura 20 Prueba de transmisión Led ON/OFF
Fuente: Autor
Figura 21 Prueba de transmisión Led ON/OFF
Fuente: Autor.
42
5.3. PRUEBA 3: FUNCIONAMIENTO SISTEMA COMPLETO
La tercera prueba se realiza una vez se termina la aplicación final, y se verifica el
funcionamiento en tiempo real. La transmisión de información y el resultado se
visualizan en forma de ceros y unos, en la figura 22 se observa lo mencionado.
Figura 22 Aplicación final primeras pruebas
Fuente: Autor
Una vez que se realizan las primeras pruebas, se piden los permisos necesarios para
trabajar en el dispositivo y se mejora tanto la interfaz gráfica como la información
presentada, en las figuras 23 y 24 se aprecia tales cambios.
43
Figura 23 Permisos para acceder a la aplicación y recibir datos desde el Arduino
Fuente: Autor.
Figura 24 Interfaz gráfica he información de estado del sistema.
Fuente: Autor.
44
5.4. PRUEBA 3: FUNCIONAMIENTO EN VIVIENDA
Al realizar las pruebas en campo con el sistema de seguridad patrimonial se encontró un
retraso en el envío de la información. Este retraso está entre los 2 segundos y 2.6
segundos, el cual se obtuvo utilizando un cronómetro y verificando la llegada de la
información al sistema de supervisión (Tablet). Se bebe tener en cuenta la velocidad de
procesamiento de información del dispositivo (HMI) con Android ya que esto también
tendrá efecto en el momento de lectura de los datos recibidos.
Se realizaron pruebas tanto en laboratorio como en la vivienda. Las pruebas que se
realizaron en el laboratorio presentaron retrasos en el envío de la información como se
expone anteriormente, por tal motivo se intervino los sistemas de seguridad patrimonial
y en el sistema de supervisión y adquisición de datos, logrando así, un tiempo de
transmisión y recepción de la información cercana a 0.9 seg y 1seg. En la figuras 25, 26
se observan las pruebas correspondientes.
Figura 25 pruebas con el sistema patrimonial.
Fuente: Autor.
45
Figura 26 pruebas con el sistema patrimonial en la vivienda.
Fuente: Autor.
Se realizan nuevamente pruebas con el entorno gráfico mejorado en los sistemas de
aguas grises y control energético, en tiempo real (en la parte inferior de la aplicación
se ejecuta tiempo actual con fecha, hora). En las figuras 27 y 28 se aprecian dichas
pruebas.
Figura 27 Comprobación en tiempo real del sistema de aguas grises.
Fuente: Autor
46
Figura 28 Sistema de control de Energía
Fuente: Autor
Una vez se finalizan las pruebas se procede con el diseño de la caja que reunirá todos
los componentes del sistema de monitoreo. En las figuras 29, 30 y 31 se observa la
caja del proyecto de supervisión y adquisición de datos y pruebas con la misma.
Figura 29 Información del Proyecto
47
Fuente: Autor
Figura 30 conectores de los 3 divisores
Fuente: Autor
Figura 31 Funcionamiento de datos digitales con el sistema terminado.
Fuente: Autor
48
El medio utilizado para compartir información entre el sistema de supervisión y
adquisición de datos y el sistema de seguridad patrimonial es por cableado, indicados
con combinación de color para no generar confusión. Véase la figura 32 y la figura
34.
En la figura 33 se muestra las dimensiones de la caja del proyecto para tener una idea
del tamaño real.
Figura 32 medio de conexión con el sistema de seguridad patrimonial
Fuente: Autor
Figura 33 Dimensión de la caja del proyecto
Fuente: Autor
49
5.5. PUESTA EN MARCHA DEL SISTEMA
En el momento de poner en funcionamiento la aplicación se debe conectar primero las
tierras de los divisores. Véase figura 30. Luego se procede a conectar la alimentación
del Arduino, y el cable USB de la Tablet, véase figura 35.
Figura 34 Conexión tierra(GND), conexión con el sistema de seguridad patrimonial.
Fuente: Autor.
Figura 35 conexión de encendido numero siete, USB numero ocho, conexión para el PC
numero nueve.
Fuente: Autor.
Con los procedimientos anteriores realizados se procede a observar el comportamiento
en la aplicación, en este proceso se debe tener en cuenta que en ocasiones la aplicación
posiblemente se bloquee debido a un cambio en el voltaje de la tarjeta Arduino mega
adk o en la conexión del cable USB de la Tablet, se identifica este evento observando
50
la parte inferior de la pantalla donde se encuentra la fecha y hora la cual debe estar
siempre en movimiento. Véase figura 36. En caso de que suceda lo anterior se procede
a cerrar la aplicación y desconectar el cable USB y volver a conectarlo.
Figura 36 Fecha y Hora de la aplicación.
Fuente: Autor.
5.6. PRECIOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL PROYECTO
Los datos presentados en la tabla 4, muestran los costos involucrados en el desarrollo
del proyecto. Se han causado los valores asociados con los dispositivos necesarios, el
diseño, mano de obra e implementación.
Tabla 4 Costos de Desarrollo del Proyecto.
Elementos Precios (col)
Arduino Mega ADK – Android $ 184,000
Tablet Samsung Galaxy Tab 3 $ 360,000
Divisores de voltaje con relé $ 70,000
Caja de proyecto $ 25,000
Investigación de Desarrollo $ 120.000
2 Meses de la realización de la aplicación $ 200,000
Pruebas del sistema y adecuaciones $ 100,000
Total costos: $ 1,054,000
51
6 CONLCUSIONES
En esta investigación se logró construir un sistema embebido electrónico para facilitar
la adquisición y supervisión de las señales, tanto análoga como digital, de tres
procesos: energía fotovoltaica, reuso de aguas grises y protección patrimonial,
implementados en una casa eco-sostenible.
Se llevó a cabo el desarrollo del proyecto de tal manera que el costo fuera competitivo
con lo existente en el mercado (tabla 3), donde se incluye la investigación, desarrollo,
implementación e ingeniería, en comparación con los del mercado (tabla 1). Aunque
es necesario considerar el Know how de cada empresa, lo que implica un costo
adicional que da confianza y respaldo al cliente y hace que una aplicación sea más
costosa que otra.
La casa eco-sostenible, por ser un proyecto interdisciplinario, no propició la
construcción de dispositivos locales con un estándar de comunicación y transmisión
de la información. Es así como se logra unificar los datos de cada sistema
implementado en una Tablet, que posee una aplicación desarrollada en Android. Se
hace un diseño de HMI para mostrar, de una manera más agradable y entendible para
un usuario, el estado actual de cada sistema presente en la vivienda. Teniendo en
cuenta, que lo trabajado en este proyecto, se pudo haber hecho con cualquier sistema
comercial que se ofrece en el mercado, fue posible lograr una aplicación versátil,
diferente a lo habitual, con posibilidades de ampliar las funcionalidades de
supervisión en el hogar.
Los sistemas de aguas grises y control energético implementados en la vivienda, no
cuentan con un dato digital para facilitar el monitoreo del sistema supervisor. Esto
generó la implementación de divisores de voltaje para cumplir con el requerimiento.
52
Estos divisores terminan cumpliendo una doble función: la primera, como
acopladores con los sistemas de aguas y control energético, toman una señal de 12
voltios proveniente los sistemas mencionados y la envían al sistema embebido para
ser mostrada en la HMI y; la segunda, para facilitar pruebas en campo y en el
laboratorio en caso que se requiera usar el sistema de supervisión en otras
aplicaciones similares, dándole portabilidad y funcionalidad al desarrollo logrado.
Uno aspecto relevante del proyecto realizado es el aprovechamiento de dispositivos
de hardware y software abierto, disponibles en el mercado electrónico del contexto
nacional, que le da flexibilidad y versatilidad a una tecnología, catalogada de bajo
costo y fácil implementación, con lo cual se podría obtener “sistemas domóticos”
económicamente accesibles para gran parte de la sociedad, al tiempo que se logra un
aporte al desarrollo tecnológico en esta área.
53
PROYECCIONES FUTURAS PARA EL PROTOTIPO.
Este prototipo es una gran puerta para las nuevas tendencias a el control en las
viviendas ya que puede utilizarse por medio de un dispositivo móvil, mejorando la
interfaz del usuario con material design, cambio en el dispositivo (Tablet) por uno
con mayor capacidad de procesamiento; envío de la información por medio de push
cuando se presente un cambio en los bytes para que tenga mayor fiabilidad a la hora
de generarse un cambio en la información. Estos avances están bastantes
desarrollados ya que se hizo otra aplicación por medio de HTML desde Arduino y
Android, para el envío de la información a internet. Para que funcione se debe acoplar
una Ethernet Shield y esta funcionará como emisor de dicha información.
Se puede mejorar también los otros sistemas para que haya mayor fiabilidad y rapidez
en momento de enviar la información. Con ello modificarlos para no tener que usar
sistemas embebidos por separados y ahorrar tanto espacio como dinero.
54
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http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/7/4/F/4/74F401.shtml
56
ANEXOS
Anexo 1 Programa de la aplicacion.
Programa principal. MainActivity.java
package com.example.home;
import java.io.FileDescriptor;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.util.Date;
import android.net.Uri;
import android.os.Bundle;
import android.annotation.SuppressLint;
import android.app.Activity;
import android.app.PendingIntent;
import android.content.BroadcastReceiver;
import android.content.Context;
import android.content.Intent;
import android.content.IntentFilter;
import android.os.Handler;
import android.os.Message;
57
import android.os.ParcelFileDescriptor;
import android.view.Menu;
import android.widget.MediaController;
import android.widget.TabHost;
import android.widget.TextView;
import android.widget.VideoView;
import android.widget.TabHost.TabSpec;
import com.android.future.usb.UsbAccessory;
import com.android.future.usb.UsbManager;
import com.example.home.R;
@SuppressLint("HandlerLeak") public class MainActivity extends Activity implements
Runnable {
//**************** VARIABLES***********************************
private TextView mResponseField;
private TextView mResponseField1;
private TextView mResponseField2;
private TextView mResponseField3;
private TextView mResponseField4;
private TextView mResponseField5;
private TextView mResponseField6;
58
private TextView mResponseField7;
private TextView mResponseField8;
private TextView mResponseField9;
private UsbManager mUsbManager;
private PendingIntent mPermissionIntent;
private boolean mPermissionRequestPending;
private UsbAccessory mAccessory;
private ParcelFileDescriptor mFileDescriptor;
private FileInputStream mInputStream;
private FileOutputStream mOutputStream;
//PERMISIOS PARA UTILIZAR LAS LIBRERIAS USB
private static final String ACTION_USB_PERMISSION=
"com.google.android.DemoKit.action.USB_PERMISSION";
//***************************************************************
TabHost contenedorPestana;
TabSpec pestana;
/** Se llama cuando se crea por primera vez la actividad. */
@Override
public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
59
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
//***************Pestañas Tab con respetivos nombres***************
contenedorPestana=(TabHost) findViewById(android.R.id.tabhost);
contenedorPestana.setup();
pestana=contenedorPestana.newTabSpec("pestana1");
pestana.setContent(R.id.Seguridad_Patrimonial);
pestana.setIndicator("Seguridad Patrimonial",
getResources().getDrawable(R.drawable.segu));
contenedorPestana.addTab(pestana);
pestana=contenedorPestana.newTabSpec("pestana2");
pestana.setContent(R.id.Aguas_Grises);
pestana.setIndicator("Aguas Grises",
getResources().getDrawable(R.drawable.ic_launcher));
contenedorPestana.addTab(pestana);
pestana=contenedorPestana.newTabSpec("pestana3");
pestana.setContent(R.id.Control_Energetico);
pestana.setIndicator("Control Energetico",
getResources().getDrawable(R.drawable.ic_launcher));
contenedorPestana.addTab(pestana);
60
//************************************************************************
***********
//****Variables a las cuales se les asigna el valor tomado por el arduino**********
mResponseField = (TextView)findViewById(R.id.arduino);
mResponseField1 = (TextView)findViewById(R.id.datos);
mResponseField2 = (TextView)findViewById(R.id.arduino1);
mResponseField3 = (TextView)findViewById(R.id.arduino2);
mResponseField4 = (TextView)findViewById(R.id.arduino3);
mResponseField5 = (TextView)findViewById(R.id.arduino4);
mResponseField6 = (TextView)findViewById(R.id.arduino5);
mResponseField7 = (TextView)findViewById(R.id.datos1);
mResponseField8 = (TextView)findViewById(R.id.arduino6);
mResponseField9 = (TextView)findViewById(R.id.datos2);
setupAccessory();
}
@Override
public boolean onCreateOptionsMenu(Menu menu) {
getMenuInflater().inflate(R.menu.main, menu);
return true;
61
}
//**********************************************************************
//********Permite adaptar la información al girar el dispositivo********
@Override
public Object onRetainNonConfigurationInstance() {
if (mAccessory != null) {
return mAccessory;
} else {
return super.onRetainNonConfigurationInstance();
}
}
//************************************************************************
//********Permite la interacción de la app y el usuario*********************
@Override
public void onResume() {
super.onResume();
if (mInputStream != null && mOutputStream != null) {
return;
}
//************************************************************************
************************
//********************Solicitud para poder realizar la conexion entra la app y el
arduino************
UsbAccessory[] accessories = mUsbManager.getAccessoryList();
UsbAccessory accessory = (accessories == null ? null : accessories[0]);
62
if (accessory != null) {
if (mUsbManager.hasPermission(accessory)) {
openAccessory(accessory);
} else {
synchronized (mUsbReceiver) {
if (!mPermissionRequestPending) {
mUsbManager.requestPermission(accessory,
mPermissionIntent);
mPermissionRequestPending = true;
}
}
}
}
}
//************************************************************************
*************
//**************Indica que posiblemente la actividad pase a segundo plano********
@Override
public void onPause() {
super.onPause();
63
}
//************************************************************************
****
//*** Destruye la actividad una vez finaliza para hacer espacio en memoria.***
@Override
public void onDestroy() {
unregisterReceiver(mUsbReceiver);
super.onDestroy();
}
//************************************************************************
******
//************Muestra los datos obtenidos del arduino en la app*****************
Handler mHandler = new Handler() {
@Override
public void handleMessage(Message msg) {
ValueMsg t = (ValueMsg) msg.obj;
int zona = t.getReading();
int zona1 = t.getReading1();
int zona2 = t.getReading2();
64
int zona3 = t.getReading3();
int zona4 = t.getReading4();
int zona5 = t.getReading5();
int zona6 = t.getReading6();
if(zona > 0){
mResponseField.setText("Sensor Zona 1: " + "hay intruso");
}else{
mResponseField.setText("Sensor Zona 1: " + "sin novedad");
}
if(zona1 > 0){
mResponseField2.setText("Sensor Zona 2: " + "hay intruso");
}else{
mResponseField2.setText("Sensor Zona 2: " + "sin novedad");
}
if(zona2 > 0){
mResponseField3.setText("Sensor Zona 3: " + "hay intruso");
}else{
mResponseField3.setText("Sensor Zona 3: " + "sin novedad");
}
if(zona3 > 0){
mResponseField4.setText("Sensor de gas: " + "hay fuga de gas");
65
}else{
mResponseField4.setText("Sensor de gas: " + "sin novedad");
}
if(zona4 > 0){
mResponseField5.setText("tanque principal: " + "lleno");
}else{
mResponseField5.setText("tanque principal: " + "vacio");
}
if(zona5 > 0){
mResponseField6.setText("tanque Reservorio: " + "lleno");
}else{
mResponseField6.setText("tanque Reservorio: " + "vacio");
}
if(zona6 > 0){
mResponseField8.setText("Estado Bateria: " + "cargada");
}else{
mResponseField8.setText("Estado Bateria: " + "descargada");
}
mResponseField1.setText("Datos: "+(new Date().toString()));
mResponseField7.setText("Datos1: "+(new Date().toString()));
66
mResponseField9.setText("Datos2: "+(new Date().toString()));
}
};
//************************************************************************
************
//*************
private void setupAccessory() {
mUsbManager = UsbManager.getInstance(this);
mPermissionIntent =PendingIntent.getBroadcast(this, 0, new
Intent(ACTION_USB_PERMISSION), 0);
IntentFilter filter = new IntentFilter(ACTION_USB_PERMISSION);
filter.addAction(UsbManager.ACTION_USB_ACCESSORY_DETACHED);
registerReceiver(mUsbReceiver, filter);
if (getLastNonConfigurationInstance() != null) {
mAccessory = (UsbAccessory) getLastNonConfigurationInstance();
openAccessory(mAccessory);
}
}
//**********************************************************************
//**************Inicializa para recivir o enviar datos a la tarjeta arduino.************
private void openAccessory(UsbAccessory accessory) {
67
mFileDescriptor = mUsbManager.openAccessory(accessory);
if (mFileDescriptor != null) {
mAccessory = accessory;
FileDescriptor fd = mFileDescriptor.getFileDescriptor();
mInputStream = new FileInputStream(fd);
mOutputStream = new FileOutputStream(fd);
Thread thread = new Thread(null, this, "OpenAccessoryTest");
thread.start();
}
}
private void closeAccessory() {
try {
if (mFileDescriptor != null) {
mFileDescriptor.close();
}
} catch (IOException e) {
} finally {
mFileDescriptor = null;
mAccessory = null;
}
}
68
//************************************************************************
*****
//****Toma los datos que llegan del arduino y los guarda en ValueMsg para
entregarsela a mHandler***************
public void run() {
byte[] buffer = new byte[7];
while (true) { // read data
try {
mInputStream.read(buffer);
} catch (IOException e) {
break;
}
Message m = Message.obtain(mHandler);
int value = (int)buffer[0];
int value1 = (int)buffer[1];
int value2 = (int)buffer[2];
int value3 = (int)buffer[3];
int value4 = (int)buffer[4];
int value5 = (int)buffer[5];
int value6 = (int)buffer[6];
m.obj = new
ValueMsg(value,value1,value2,value3,value4,value5,value6);
69
mHandler.sendMessage(m);
}
}
//************************************************************************
public TextView getmResponseField1() {
return mResponseField1;
}
public void setmResponseField1(TextView mResponseField1) {
this.mResponseField1 = mResponseField1;
}
//***********Permite la deteccion de conexión o desconexión del
arduino*************
private final BroadcastReceiver mUsbReceiver = new BroadcastReceiver() {
@Override
public void onReceive(Context context, Intent intent) {
String action = intent.getAction();
if (ACTION_USB_PERMISSION.equals(action)) {
synchronized (this) {
UsbAccessory accessory =
UsbManager.getAccessory(intent);
if
(intent.getBooleanExtra(UsbManager.EXTRA_PERMISSION_GRANTED, false)) {
70
openAccessory(accessory);
}
}
} else if
(UsbManager.ACTION_USB_ACCESSORY_DETACHED.equals(action)) {
UsbAccessory accessory = UsbManager.getAccessory(intent);
if (accessory != null && accessory.equals(mAccessory)) {
closeAccessory();
}
}
}
};
//******************************************************************
************
}
En el Android Manifest.xml se encuentra todo lo realcionado a las configuraciones de
permisos.
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
package="com.example.home"
android:versionCode="1"
71
android:versionName="1.0" >
<uses-sdk
android:minSdkVersion="14"
android:targetSdkVersion="18"/>
<application
android:allowBackup="true"
android:icon="@drawable/ic_launcher"
android:label="@string/app_name"
android:theme="@android:style/Theme.Holo.Light" >
<activity
android:configChanges="keyboardHidden|orientation|screenSize"
android:name="com.example.home.SplashScreenActivity"
android:label="@string/app_name" >
<intent-filter>
<action android:name="android.intent.action.MAIN" />
<category android:name="android.intent.category.LAUNCHER" />
</intent-filter>
<!-- Habilita la detencion del puerto USB -->
72
<intent-filter> <action
android:name="android.hardware.usb.action.USB_ACCESSORY_ATTACHED"/>
</intent-filter>
<meta-data
android:name="android.hardware.usb.action.USB_ACCESSORY_ATTACHED"
android:resource="@xml/accessory_filter"/>
<!-- Uso de las librerias necesarias para la conexión -->
</activity>
<uses-library android:name="com.android.future.usb.accessory"></uses-library>
<activity
android:name=".MainActivity"
android:label="@string/app_name" />
</application>
</manifest>
En el ActivityMain.xml. se encuentra todo lo relacionado al diseño de la interfaz.
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!-- Creacion de los Tab y la respectiva informacion de cada uno -->
<RelativeLayout xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
xmlns:tools="http://schemas.android.com/tools"
android:id="@+id/RelativeLayout"
android:layout_width="match_parent"
73
android:layout_height="match_parent" >
<TabHost
android:id="@android:id/tabhost"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
android:layout_alignParentLeft="true"
android:layout_alignParentTop="true">
<LinearLayout
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
android:orientation="vertical" >
<TabWidget
android:id="@android:id/tabs"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="wrap_content" />
<FrameLayout
android:id="@android:id/tabcontent"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent" >
<ImageView
74
android:layout_width="fill_parent"
android:layout_height="fill_parent"
android:contentDescription="@string/casa1"
android:scaleType="centerCrop"
android:src="@drawable/casa1" />
<LinearLayout
android:id="@+id/Seguridad_Patrimonial"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
android:orientation="vertical"
tools:context="com.example.home.MainActivity" >
<!-- Texto que se muestra en pantalla -->
<TextView
android:id="@+id/arduino"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/sensor_zona_1"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
75
<TextView
android:id="@+id/arduino1"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/sensor_zona_2"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
<TextView
android:id="@+id/arduino2"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/sensor_zona_3"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
<TextView
android:id="@+id/arduino3"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
76
android:text="@string/sensor_de_Gas"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
<LinearLayout
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
android:gravity="bottom" >
<TextView
android:id="@+id/datos"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/datos"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
</LinearLayout>
</LinearLayout>
<LinearLayout
android:id="@+id/Aguas_Grises"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
77
android:orientation="vertical"
tools:context="com.example.home.MainActivity" >
<TextView
android:id="@+id/arduino4"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/Tanque_Principal"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
<TextView
android:id="@+id/arduino5"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/Reservorio"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
<LinearLayout
android:layout_width="match_parent"
78
android:layout_height="match_parent"
android:gravity="bottom" >
<TextView
android:id="@+id/datos1"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/datos"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
</LinearLayout>
</LinearLayout>
<LinearLayout
android:id="@+id/Control_Energetico"
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
android:orientation="vertical"
tools:context="com.example.home.MainActivity" >
<TextView
android:id="@+id/arduino6"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
79
android:text="@string/Bateria"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
<LinearLayout
android:layout_width="match_parent"
android:layout_height="match_parent"
android:gravity="bottom" >
<TextView
android:id="@+id/datos2"
android:layout_width="wrap_content"
android:layout_height="wrap_content"
android:text="@string/datos"
android:textColor="@android:color/black"
android:textSize="@dimen/tamano" />
</LinearLayout>
</LinearLayout>
</FrameLayout>
</LinearLayout>
</TabHost>
</RelativeLayout>
80
En el Accesory_filter.xml se encuentra el comando de sincronización con el arduino.
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!--sincronización con la tarjeta arduino -->
<resources><usb-accessory manufacturer="Hans" model="Domotic" version="1.0" />
</resources>
En ValueMsg.java se desarrolla todo lo relacionado con la toma de los datos provenientes
del arduino y se envían nuevamente al programa principal para mostrarlos en pantalla.
ValueMsg.java
package com.example.home;
import android.widget.TextView;
//*********Variales que recive la informacion que llega del arduino*******
public class ValueMsg {
private int reading;
private int reading1;
private int reading2;
private int reading3;
private int reading4;
private int reading5;
private int reading6;
public ValueMsg(int reading, int reading1, int reading2, int reading3, int reading4,
int reading5, int reading6) {
this.reading = reading;
this.reading1 = reading1;
this.reading2 = reading2;
81
this.reading3 = reading3;
this.reading4 = reading4;
this.reading5 = reading5;
this.reading6 = reading6;
}
public int getReading() {
return reading;
}
public int getReading1() {
return reading1;
}
public int getReading2() {
return reading2;
}
public int getReading3() {
return reading3;
}
public int getReading4() {
return reading4;
}
public int getReading5() {
return reading5;
}
public int getReading6() {
return reading6;
}
}
//************************************************************************
82
