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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./año [1]. La escasez del agua provoca: o o 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. Limitación de la expansión y producción agrícola e industrial. 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 turismo [2].

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. 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.

[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-laproblematica-del-agua-en-el-peru/

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CAPÍTULO 1: EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del Problema o

Determinar el ahorro en el nivel de consumo de agua y la reducción del costo asociado mediante la implementación de un sistema de control automático en el edificio multifamiliar Guernica, Miraflores, Lima

Parámetros Carrera

Ingeniería de Sistemas.

Área

Tecnología.

Asignatura/Especialidad

Control Automático de Recursos. Reducción del consumo de agua aplicando procesos de automatización controlados por software y hardware Reducción de costos en el consumo de agua.

Temas Temas Específicos

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.

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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 agua [3]. 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. El Perú tiene gran 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

construcción multifamiliares, construcción

de

de

la

edificios el

crece

sector 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 velocidad [4].

[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

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Muchas de estas edificaciones no usan ningún sistema 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 General o

Determinar el ahorro del recurso y beneficio económico través de la reducción del consumo de agua utilizando tecnología aplicada al control automático que permita la gestión optima y automática de su distribución en el edificio multifamiliar Guernica, Miraflores, Lima.

Especifico 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.

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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 [5]. 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% [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

de 20 litros de capacidad

puede representar al mes en un costo entre los S/.700 y S/.800 (Publicación RPP). 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: - El costo que pagamos por el agua, es realmente lo que consumimos? - Somos conscientes de la importancia de este recurso en nuestra vida diaria? 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 específica [6]. 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 los puntos de consumo, con lo cual se lograra el control automático del agua en sus variables: caudal y consumo. [5] SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento - http://www.sunass.gob.pe/publicaciones.php [6] CEDOM : Asociación española de Domótica - http://www.cedom.es/

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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; Todo ello con una inversión moderada acorde a la economía del país.

1.5. Limitaciones o

Ámbito de aplicación: Edificio Guernica, Miraflores, Lima.

o

El tema es poco estudiado y aplicado en nuestro medio, en consecuencia no hay muchos 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.

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CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes de la Investigación 2.1.1. Caso de éxito [7] Proyecto Implantación de los Sistemas Automáticos de Gestión del Agua en España Prevención de inundaciones, gestión de las sequías y gestión integral del recurso hídrico. Alcances El caso de éxito está referido a la implantación de los sistemas automáticos de gestión del agua en España. Responsable del proyecto. 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. Problemática 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. 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 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 [7] C&T Creatividad y Tecnología – Los Sistemas Automático de Gestión del Agua – España -http://www.cytsa.com

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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. Costos e Inversión 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. 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. Resultados de la implementación de los Sistemas Automáticos de Gestión del Agua Creatividad y Tecnologíacomo proveedor de servicios tecnológicos de alto valor añadido ha demostrado a sus clientes la bondad de estos sistemas en entornos como: 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:

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•

Sistemas de gestión del mantenimiento asistido por computadora.

Además, esta experiencia de Creatividad y Tecnología 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 conllevaban 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. • •

•

Sistemas modulares:Permitiendo la adición de nuevos elementos en función del presupuesto disponible, necesidades del cliente y disponibilidad tecnológica. 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. Diseño de soluciones abiertas para huir de la cautividad del sistema: soluciones “open source”, protocolos de comunicación e instrumentación abiertos.

Conclusiones 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 hermano, ir hacia mantenimientos más fiables y económicos. 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.

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2.2. Bases Teóricas 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 laelectrónica, 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.[3]

•

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. 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 deedificio. Los distintos dispositivos de los sistemas automatizados se pueden clasificar en los siguientes grupos: •

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.

•

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.).

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

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•

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.).

•

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.

•

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 proporcionado por otros sistemas interconectados • La interacción directa por parte de los usuarios. 2.2.2. Clasificación de los sistemas automatizados [10] Según sea la configuración empleada para implementar sus funciones, se puedediferenciar entre sistemas centralizados y sistemas descentralizados. a.

Sistemas centralizados Son aquellos sistemas en los que los elementos para controlar y supervisar(sensores, luces, válvulas, etc.) están conectados en un único punto, generalmente ala unidad de control central, que contiene la inteligencia de todo el sistema. En lossistemas de configuración centralizada la comunicación entre elementos pasa portanto por la unidad central. Este sistema es ampliamente utilizado, por ejemplo, en gestión de la seguridad oen gestión de la energía. Los sistemas centralizados presentan dos inconvenientes: - Para el fabricante, la manera más fácil de suministrar productos que operencon este diseño es mediante la producción del sistema completo. Ello crea unadependencia de una sola marca, dado que no se asegura que elementos de unfabricante puedan comunicarse con los de otros. - El sistema de control es el corazón de la vivienda, lo que supone, que si éstefalta, todo deja de funcionar. [10] Rodríguez Arenas, A. (2005). Instalaciones Automatizadas en Viviendas y Edificios

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Esquema de Sistema automatizado Centralizado

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, ysobre 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 automatizadoDescentralizado

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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 automatizados [11] 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. 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 AutomatizadosPL,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.

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

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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 (AmplitudeShiftKeying). 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 comunicación [12] 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 ocerrados (propietarios). 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

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

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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, yse tiene mucha flexibilidad y capacidad de ampliación. REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 22/62 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.

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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 (EuropeanInstallation 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 Automatizado [13] a.

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

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

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• •

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 losmismos. 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

Gestión contra incendio Gestión contra intrusión/robo

Sensores de temperatura (resistivos, semiconductores, termopares…), termostatos, sondas de temperatura para inmersión, para conductos, para tuberías, sensores de humedad, sensores de presión, etc. Sensores iónicos, termovelocimétricos, sensores ópticos, infrarrojos, de barrera óptica, sensores ópticos de humos, de dilatación, etc. 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.

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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. Ejemplos de actuadores pueden ser el motor de una persiana, los contactores de uncircuito de iluminación, lámparas, radiadores, sirenas, etc. • • • • • •

c.

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.

Controladores Es la unidad del sistema capaz de recibir, procesar o tratar la información, segúnprograma o algoritmo preestablecido, y comunicarlo, cuando proceda, a los actuadorescorrespondientes. 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 (Programmable 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

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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. REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 25/62 d. Red • • •

Una red se puede definir como una interconexión de nodos (agentes, dispositivos) que intercambieninformación o recursos. Un conjunto de elementos independientes interconectados. Una 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.

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

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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 paratiempo real por medio de slots de tiempo garantizados, evitación de colisiones porCSMA/CA y soporte integrado a las comunicaciones seguras. También se incluyenfunciones de control del consumo de energía como calidad del enlace y detección deenergía. 2.2.8.1Nodos[16] REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 34/62 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. A continuación se muestra una ilustración de la estructura típica de uno de estosdispositivos:

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

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• Micro controlador El microcontrolador realiza tareas, procesa datos y controla la funcionalidad delresto de componentes de la mota. Existen distintas alternativas a usar unmicrocontrolador: microprocesadores de propósito general, DSP’s, FPGA’s y circuitosintegrados específicos. Sin duda alguna los microcontroladores son la mejor opción para estosdispositivos, ya que son flexibles a la hora de conectar con otros dispositivos, sonprogramables 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 utilización de infrarrojos, al igual que con el láser, nodispone de capacidad de broadcasting. REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 35/62 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. 2.2.8.2Características de Nodos Descripción de lasúltimos nodos y sus características existentes en el mercado:

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• 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 ElXbee es un integrado que incluye elmicrocontrolador y el transceiver, siendo necesario conectar únicamente los sensoresa sus entradas disponibles e incorporarle una fuente de alimentación. REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 44/62 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. 2.2.8.3Software Las aplicaciones tradicionales de monitorización (generalmente cableadas) sebasan 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

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remota ya que sólo es necesariodescargar los módulos que necesitan actualización y posibilita la actualizaciónincremental. 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 bloquesconceptuales que aíslan esos componentes puramente hardware de forma que lasaplicaciones y funciones que proporciona son portables de una plataforma a otra. El sistema operativo define componentes y los utiliza para la composición de otrasfuncionalidades. 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 sueleutilizar 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 sidoensamblados o unidos. REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 46/62 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 proporcionanla implementación de uno o varios interfaces) y las configuraciones (utilizadas paraunir varios componentes utilizando los interfaces). Todas las aplicaciones nesC tienenun módulo configuración que une o enlaza a todos sus componentes. 2.2.9. Arquitectura de Red REDES DE SENSORES. APLICACIONES CONTROL DE EDIFICIOS 36/62 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

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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 lajerarquía.

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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.

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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.

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No hay que olvidar el resto de estándares de protocolos de comunicacionesinalámbricas 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 • • •

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ACTUADOR.- Dispositivo que recibe órdenes y las transforman en señales de aviso, regulación o conmutación. 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. 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. ENTRADA.- Es la excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía externa, con el fin de provocar una respuesta. ENTRADA DE MANDO.- Señal externa al sistema que condiciona su funcionamiento. INMOTICA.- Es la incorporación al equipamiento de edificios de uso terciario o 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. INTERFAZ.- Interconexión eléctrica, mecánica o de datos, para la adaptación de diferentes servicios. Conexión entre el ordenador y el mundo exterior. Algunos ejemplos son RS232, USB-A hembra paralelo o similar IR. Es un tipo de radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luzvisible pero menor que la de las microondas. LAN.- Red Área Local. PASARELA RESIDENCIAL.- Elementos de conexión entre diferentes redes o sistemas de bus mediante la traducción de protocolos. 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 (ProgrammableLogicController en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en automatización. PLUG AND PLAY.- Dispositivos de fácil instalación que no necesitan configuraciones especiales. PROTOCOLO.- Conjunto de reglas usadas por computadoras para comunicarse una con otras a través de una red. SALIDA.- Es la respuesta que proporciona el sistema de control. 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.

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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. Actuador: es un elemento 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. VARIABLES DEL SISTEMA.- Son todas las magnitudes, sometidas a vigilancia y control, que definen el comportamiento de un sistema (velocidad, temperatura, posición, etc.).

2.4. Sistemas de hipótesis La implementación de un sistema de control automático en el edificio Guernica, Miraflores, Lima. Permitirá lareducción del en el nivel de consumo de agua así como su costo asociado. De toda el agua potable que se produce en el país, el 42% se pierde principalmente por el mal uso, fugas y conexiones clandestinas [17] y el sistema demótico permitirá reducir al 100% el mal uso y fugas del agua. El uso de PLC en la automatización de procesos para el control del agua viéndolo desde un punto de vista a largo plazo se podrá ahorrar en el edificio desde un 60 % en comparación con otros edificios que no cuentan con esta tecnología. Según el antecedente presentado en el caso de éxito implementando soluciones tecnológicas es posible mediante la gestión de los procesos automatizados controlar y mejorar la gestión del agua. Como se indica en el estudio la implementación de esta tecnología entre los años 1982 y 2009 se ha logrado instalar más de 2200 puntos de control distribuidos en 8 cuencas hidrográficas en todo el territorio de España permitiendo así reducir al mínimo las pérdidas materiales por inundaciones y sequias, así como la mejora del medio ambiente como consecuencia de la mejor gestión del agua y el abastecimiento adecuado del mismo.

[17] SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento - http://www.sunass.gob.pe/publicaciones.php

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Para la administración española se trata de una inversión totalmente justificada y amortizada dando como resultado positivo el uso de este tipo de solución para la gestión del agua en todo el territorio. 2.5. Sistemas de Variables a. Nivel de consumo de agua b. Costo asociado al nivel de consumo de agua.

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CAPÍTULO 3: MARCO METODOLOGICO 3.1 NIVEL DE INVESTIGACIÒN El proyecto está orientado a un nivel de investigación DESCRIPTIVA-CUANTITATIVA: Descriptiva: Debido a que 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 en el edificio Guernica, Miraflores. Cuantitativa: A partir del recojo de información de la variable, nivel de consumo (m3), se va a hacer un análisis de las propiedades y fenómenos cuantitativos expresados en metros cúbicos consumidos (m3) y cantidad monetaria del costo por consumo (S/.) 3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACION 3.2.1 Método: Sistemas Automáticos Los sistemas automáticos de gestión del agua recopilan los datos necesarios a través de sensores emplazados en estaciones remotas y ubicados en puntos estratégicos como embalses o estaciones de aforo 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.

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La complejidad del diseño de los sistemas automáticos de gestión del agua 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 envió. 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. Por último para desarrollar un centro de control eficaz resulta crucial definir 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 y SAD sin olvidar la importancia de formar adecuadamente al personal técnico encargado de la operación y explotación del centro de control. 3.2.2 Técnicas: Aplicación de técnicas cuantitativas Análisis de datos relacionados al consumo bruto de agua, para el análisis de la variable: nivel de consumo expresado en m3. Técnica Analítica de consumo de agua: Lo que permitirá, a través de la interpretación y análisis de las propiedades numéricas del nivel de consumo de agua, inducir y predecir el comportamiento de los niveles de consumo así como niveles de desperdicio de agua y por lo tanto deducir los costos asociados. Técnica Comparativa de consumo de agua: permitirá obtener una visión general de comportamiento del nivel de consumo en el tiempo normalmente y luego con la implementación del sistema automático de control de agua. Así también el análisis de datos y comparación de datos servirá como herramienta para la comprobación de hipótesis y determinar el impacto de los sistemas automáticos de control en la reducción del consumo de agua y costo asociado. Consumos estimados Bañera Ducha Inodoro Lavado de dientes Lavado de manos Lavado de cara Afeitado Lavavajillas

Consumo Normal 150 lts 10 L/min 9L 2L 2L 3L 3L 30 L

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Lavadora Grifo Otros

90 L 8 L/min 5L

En promedio cada persona gasta por día 150 L [18] El promedio de pérdida de agua tratada por fugas es de 42% [19] La relación entre consumo estimado y las tarifas actuales de facturación [20] estipulado por el Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Lima (SEDAPAL) dará como resultado las formulas para el análisis y cálculo de los costos asociados al nivel de consumo de agua. Ecuaciones de comprobación: Calculo del consumo para una familia promedio:

Donde:

-Nro. de personas = 5 -CPPP /día = 150 L -CPPF (L)/día = 150 * Nro. de personas -CTPM (m3) = CTPF *30 días -Porcentaje de desperdicio de agua : 42% -Consumo neto por mes = CTPM –(0.42*CTPM) -Costo neto por mes (S/.) = Consumo neto por mes * tarifa asociada -Fugas por mes = (0.42*CTPM) -Costo de fugas por mes (S/.) = Fugas por mes*tarifa asociada CPPP = consumo promedio por persona CPPF = consumo promedio por familia CTPM = consumo total por mes M3 = Metro cubico 1 m3 = 1000 L

[18] SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento - http://www.sunass.gob.pe/publicaciones.php [19] SUNASS : Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento [20] Tarifa Diferenciada por Uso de La Red de Agua y Red de Desagüe, SEDAPAL, Publicación Diario El Peruano 05/06/2011

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3.2.3 Instrumento: Sistema de Control Automático Basado en PLCs, Sensores y Actuadores. La comprobación de la hipótesis se lograra con la implementación de un software prototipo que contara de una serie de componentes electrónicos (PLCs, Sensores, Actuadores, etc.) más un componente lógico de gestión que permita conocer, gestionar, optimizar y establecer políticas de eficiencia de las variables investigadas. Además probar la posibilidad de 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.

Interfaz para el control de presión y flujo de tanques de agua mediante sensores:

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Interfaz de visión estadística del comportamiento del consumo de agua

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 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-delagua-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 http://www.inei.gob.pe/ http://www.bcrp.gob.pe/estadisticas.html 8. Domótica e Inmótica Autor: Cristóbal Romero Morales, Francisco Vásquez Serrano, Carlos de Castro Lozano. Edición: 2005 ISBN: 978-84-78976-53-9 9. Domótica. Edificios Inteligentes Autor: José Manuel Huidobro Moya, Ramón Jesús Millán Tejedor. Edición: 2004 ISBN: 978-84-92779-14-7 10. Instalaciones Automatizadas en Viviendas y Edificios. Autor: Antonio Rodríguez Arenas. Edición: 2005 ISBN: 978-84-96334-11-3

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11. Sensor Networks and Applications Autor: Hamid Gharavi. Edición: 2003 ISBN: 0018-9219 12. Automatización de Viviendas y Edificios Autor: José Rubén Saavedra Silveira. Ediciones Ceac - 2009, Barcelona. 13. Eficiencia Energética en Edificios Autor: Francisco Javier Rey Martínez, Eloy Velasco Gómez. Editorial Paraninfo, 2006. 14. Autómatas Programables. Entorno Y Aplicaciones Autor: Enrique Mandado Pérez, Serafín Pérez López, Jorge Marcos Ace. Edición: 2004 ISBN: 978-84-97323-28-4 15. Zigbee for Building Control Wireless Sensor Networks Autor: Fabio L. Zuccato, Clecio A. Biscassi. Edición: 2007 ISBN: 1424406617 16. Revista CEDOM Autor: Asociación Española de Domótica(CEDOM) Edición Numero: 09. Publicación: Abril 2010.