UNIVERSIDAD UTE

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E

INDUSTRIAS

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE DISPOSITIVOS

INALÁMBRICOS PARA EL CONTROL DOMÓTICO DE UNA

VIVIENDA DESDE UN SMARTPHONE CON PLATAFORMA

ANDROID

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERO EN MECATRÓNICA

KLEVER ANDRÉS CHIRIBOGA SUQUILLO

DIRECTOR: MSC. JUAN CARLOS RIVERA

QUITO, SEPTIEMBRE DE 2018

© Universidad UTE 2018.

Reservados todos los derechos de reproducción.

FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO

PROYECTO DE TITULACIÓN

DATOS DE CONTACTO

CÉDULA DE IDENTIDAD: 172103656-2

APELLIDO Y NOMBRES: Chiriboga SuquilloKlever Andrés

DIRECCIÓN: Alangasí Calle Simón Bolivar

EMAIL: andres_dsk2h@hotmail.com

TELÉFONO FIJO: 022787808

TELÉFONO MOVIL: 0996457388

DATOS DE LA OBRA

TITULO: Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone con

plataforma Android

AUTOR O AUTORES: Klever Andrés Chiriboga Suquillo

FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

03 de Julio de 2018

DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:

Msc. Juan Carlos Rivera

PROGRAMA PREGRADO POSGRADO

TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Mecatrónico

RESUMEN: Mínimo 250 palabras El presente trabajo consiste en el diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android. El diseño se lo realizó con la motivación de utilizar plataformas de código abierto, para lo cual se comprobó que se pueden desarrollar muchas aplicaciones útiles, aumentando el confort y optimizando el consumo de energía. El sistema se diseñó para lograr controlar, los dispositivos electrónicos que se encuentran comúnmente instalados en el hogar; monitorear la seguridad, tanto desde la parte interna como externa; además de optimizar el consumo energético. Logrando que el usuario del sistema pueda interactuar con el hogar. El sistema mantiene un protocolo de comunicación WiFi entre los distintos equipos para controlar y monitorear los mismos. Para el control desde el exterior de la vivienda se creó una aplicación para Smartphone que funciona en la plataforma Android; el cual permite recibir y enviar datos desde el hogar a cualquier lugar del mundo y viceversa, donde el usuario tenga conexión a internet. Para el sistema de control se tomó en cuenta dos factores, manual y automático; que permiten al usuario desbloquear todo el sistema en caso de falla de energía eléctrica, desde un tablero de control ubicado dentro del hogar. El tablero de control también me permite monitorear e interactuar desde una

x

mailto:andres_dsk2h@hotmail.com

pantalla, teclado y mouse ubicados en el mismo. El sistema se puede controlar ya sea desde la parte del tablero de control o desde el Smartphone teniendo las mismas funciones en ambos casos.

PALABRAS CLAVES: Mecatrónico, wireless, Android, Wi-Fi, Smartphone

ABSTRACT:

This work involves the design and implementation of wireless devices for a home automation control from a Smartphone with Android platform. The design was made with the motivation to use open source platforms for which it was found that can develop many useful applications, improving comfort and optimize energy consumption. The system was designed to achieve control, electronic devices that are commonly installed in the home; monitor security, both from the inside and externally; and optimize energy consumption. Making the system user can interact with the home. The system maintains a wireless communication protocol between different computers to control and monitor them. For control from the outside of the housing an application for Smartphone that runs on the Android platform was created; which can receive and send data from home to anywhere in the world, where the user has an Internet connection. For the control system took into account two main factors, locked and unlocked; allowing the user to unlock the entire system in case of power failure from a control panel located inside the home. The control panel also allows me to monitor and interact from a screen, keyboard and mouse located in the same. The system can be controlled either from the control of the board or the Smartphone having the same functions in both cases.

KEYWORDS

Mechatronics, wireless, Android, Wi-Fi, Smartphone

Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio

Digital de la Institución.

f:

Klever Andrés Chiriboga Suquillo

CI: 172103656-2

DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN

Yo, Klever Andrés Chiriboga Suquillo, CI172103656-2autor del proyecto

titulado:“Diseño e implementación de dispositivos inalámbricos para el

control domótico de una vivienda desde un Smartphone con plataforma

Android.”,previo a la obtención del título de Ingeniero en Mecatrónica en la

Universidad UTE.

1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las

Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo

144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la

SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de

graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de

información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión

pública respetando los derechos de autor.

2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad UTE a tener una copia

del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un

Repositorio que democratice la información, respetando las políticas

de propiedad intelectual vigentes.

Quito, 25 de Septiembre de 2018

f:

Klever Andrés Chiriboga Suquillo

CI 172103656-2

DECLARACIÓN

Yo Klever Andrés Chiriboga Suquillo, declaro que el trabajo aquí descrito

es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado

o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas

que se incluyen en este documento.

La Universidad UTE puede hacer uso de los derechos correspondientes a

este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su

Reglamento y por la normativa institucional vigente.

f:

Klever Andrés Chiriboga Suquillo

C.I.: 172103656-2

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e

implementación de dispositivos inalámbricos para el control domótico de una

vivienda desde un Smartphone con plataforma Android.”, que, para aspirar al

título de Ingeniero en Mecatrónica, fue desarrollado por Klever Andrés

Chiriboga Suquillo, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de

Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el

reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19,27 y 28.

f:

Msc. Juan Carlos Rivera

DIRECTOR DEL TRABAJO

C.I.: 0501373823

DEDICATORIA

Este título se lo dedico a mi familia, en especial a mi padre y a mi madre que

dieron e hicieron todo por verme ser un ingeniero y una gran persona.

AGRADECIMIENTO

Agradezco en especial a Dios y a toda mi familia que han estado a mi lado

apoyándome y dándome el soporte necesario durante todo este tiempo

viii

ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA

RESUMEN ................................................................................................... 12

ABSTRACT ................................................................................................. 13

1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 8

2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................. 2

3. METODOLOGÍA ...................................................................................... 26

4. DISEÑO ................................................................................................... 30

4.1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO ..................... 31

4.2 ESTUDIO DE ILUMINACIÓN ................................................................. 36

4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL ................................................ 41

CONFIGURACIÓN DE LA RED DEL SISTEMA .................................... 43

4.5 DISEÑO DE LA APLICACIÓN MOVIL ................................................... 45

4.6 DISEÑO PLACA WIFI ............................................................................ 50

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................. 52

5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ...................................................... 57

PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS ..................... 57

5.2 PRUEBA DE PROGRAMACIÓN DE ESCENARIOS Y

ACCESO REMOTO DESE LA APLICACIÓN MÓVIL ............................ 60

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 62

CONCLUSIONES ........................................................................................ 63

RECOMENDACIONES ................................................................................ 65

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................ 66

ix

ÍNDICE DE TABLAS PÀGINA

Tabla 1. Características del contacto magnético ......................................... 33

Tabla 2. Características de los detectores de rotura de cristales ................ 34

Tabla 3. Características del detector de humo ............................................ 34

Tabla 4. Características del sensor de movimiento ..................................... 34

Tabla 5. Características del sensor de temperatura y humedad ................. 35

Tabla 6. Características de la sirena ........................................................... 35

Tabla 7. Características del motor de puerta ............................................... 36

Tabla 8. Características del calefactor ........................................................ 36

Tabla 9. Tabla de características para la selección de luminarias............... 37

Tabla 10. Tabla de factores de diseño ........................................................ 38

Tabla 11. Tabla de normas para iluminación ............................................... 39

Tabla 12. Tabla de análisis de valores de variables .................................... 39

Tabla 13. Tabla de selección de luminarias ................................................ 40

Tabla 14. Presupuesto generado para el proyecto ...................................... 53

Tabla 15. Tabla de direcciones IP y tiempos de respuesta ......................... 59

x

ÍNDICE DE FIGURAS PAGINA

Figura 1. Metodología aplicada al proyecto 17

Figura 2. Esquema de hogar digital 21

Figura 3. Sensor de presencia 22

Figura 4. Sensor magnético 22

Figura 5. Esquema Arquitectura Domótica Centralizada 23

Figura 6. Metodología mecatrónica aplicada al proyecto 27

Figura 7. Esquemático de sensores 28

Figura 8. Esquemático de actuadores 28

Figura 9. Esquemático video vigilancia 28

Figura 10. Esquemático video vigilancia 29

Figura 11. Plano de distribución de luminarias dentro de la casa 31

Figura 12.Plano de distribución de actuadores, sensores y panel

de control 32

Figura 13. Plano de distribución de luminarias de la cancha

de baloncesto 32

Figura 14. Plano de distribución de actuadores y luminarias de

ingreso a la propiedad 33

Figura 15. Tipos de iluminación 37

Figura 16. Modelo 3D del exterior de la casa 40

Figura 17. Modelo 3D del interior de la casa 40

Figura 18. Página web oficial de Raspberry Pi 42

Figura 19. Sketch de Arduino para configuración de pines 42

Figura 20. Reservación de direcciones IP 43

Figura 21. Software requerido para la configuración de la placa

Raspberry Pi 43

Figura 22. Conexión de servidor 44

Figura 23. Fichero de instalación de PHPmyAdmin 45

Figura 24. Programación de la pantalla de inicio en App Inventor 46

Figura 25. Programación de la pantalla del índice en App Inventor 46

Figura26. Programación de la pantalla de seguridad en App Inventor 47

Figura 27. Pantalla de control de puerta implementada en Android 48

Figura 28. Programación de la pantalla de control de motores en App

Inventor 48

Figura 29. Pantalla de iluminación implementada en Android 49

Figura 30. Pantalla de cámaras implementada en Android 49

Figura 31. Pantalla de escena 1 implementada en Android 50

Figura 32. Pantalla de escena 2 implementada en Android 50

Figura 33. Pruebas protoboard 51

Figura 34. Placa electrónica aislada 51

Figura 35. Conexiones del tablero de control 54

Figura 36. Protecciones y fuente de voltaje del sistema de control 54

xi

Figura 37. Conexión de Arduino Mega ADK y Raspberry Pi en el

tablero de control 55

Figura 38. Instalación del sensor magnético 55

Figura 39. Instalación de sensor de humo 56

Figura 40. Instalación de sensor de movimiento 56

Figura 41. Instalación de motor en la puerta del garaje 56

Figura 42. Direcciones IP de cada elemento del sistema 57

Figura 43. Prueba de conexión sensor de movimiento dormitorio 1 57

Figura 44. Prueba de sensor de cristales rotos dormitorio 1 58

Figura 45. Comunicación entre el celular y la red domótica vía

internet 61

12

RESUMEN

Se diseñó e implementó dispositivos inalámbricos para el control domótico

de una vivienda desde un Smartphone con plataforma Android. Se integró

varios sub sistemas como son video vigilancia, seguridad interna, sistema

contra incendios e iluminación a un sistema maestro el cual permite fusionar

los sistemas anteriormente descritos a una sola plataforma. El sistema logró,

controlar, los dispositivos electrónicos que se encuentran comúnmente

instalados en el hogar; monitorear la seguridad del mismo, tanto desde la

parte interna como externa; además de optimizar el consumo energético.

Logrando que el usuario del sistema pueda interactuar con el hogar desde

una sola aplicación.

13

ABSTRACT We designed and implemented wireless devices for the home automation

control of a home from a Smartphone with Android platform. Several sub

systems were integrated such as video surveillance, internal security, fire

protection system and lighting to a master system which allows to merge the

previously described systems to a single platform. The system achieved,

control, the electronic devices that are commonly installed in the home;

monitor the security of the same, both from the internal and external part; in

addition to optimizing energy consumption. Achieving that the user of the

system can interact with the home from a single application

1. INTRODUCCIÓN

15

La domótica en el país está desarrollándose a paso lento, ya que existen

muchas dificultades en el momento de la implementación dentro de los

hogares, ya que para lograr un hogar domótico se necesita un sistema

maestro el cual permita controlar a varios subsistemas; en este caso

llamaremos sistema a la unión de varios subsistemas como son el de video

vigilancia, seguridad y control de iluminación los cuales serán monitoreados

y accionados desde un sistema maestro.

Para lograr que los subsistemas se comuniquen entre sí, actualmente se

utiliza cableado externo para la unión de cada dispositivo electrónico entre

las distintas centrales para ello, se realiza readecuaciones a las estructuras

internas y externas de los hogares donde se lleva acabo las

implementaciones domóticas ocasionando que al valor de las mismas se

sume valores de remodelaciones civiles.En otras ocasiones se ha tenido que

colocar canaletas plásticas expuestas para llevar los cables necesarios con

los cuales se alimentan los dispositivos o se comunican, estropeando la

fachada de los lugares a ser implementados los sistemas domóticos.

Como se detalla anteriormente todos estos subsistemas se monitorean o

controlan individualmente no existe actualmente un sistema maestro el cual

los comunique y logre realizar la unión de mismos para que el usuario tenga

el control de todos estos subsistemas en una sola plataforma.

Al realizar este proyecto de titulación se realizó dispositivos inalámbricos los

cuales disminuyen los costos de instalación, logrando comunicar todos los

dispositivos a una tarjeta maestra; Raspberry Pi la cual recoge todos los

datos proporcionados por los distintos elementos electrónicos instalados

como son sensores de presencia, sensores de humo, cámaras de video

vigilancia y temperatura. Y acciona los distintos actuadores acoplados al

sistema.

Al acoplar todos los distintos sensores y actuadores a la tarjeta madre

Raspberry Pi se hace necesario desarrollar una plataforma mediante la cual

el usuario pueda monitorear los distintos subsistemas, para ello se desarrolló

una aplicación para teléfonos inteligentes “smartphone”, la cual permitirá

controlar y monitorear desde una sola aplicación los distintos subsistemas

acoplamos al sistema maestro. Cabe destacar que Intel propone un

argumento a tomar en cuenta en este trabajo, “Imagine cosas más

inteligentes y más conectadas”, donde define a las cosas conectadas a una

sólida red de diferentes dispositivos integrados con electrónica, software y

diferentes sensores que permiten intercambiar y analizar datos

prácticamente en tiempo real. (Alejandro. García, 2017).

En trabajos expuestos con anterioridad se desarrollan sistemas domóticos

con un sistema de control de luces los cuales constan de tres elementos

fundamentales: la interfaz de usuario que son instaladas en dispositivos

16

móviles, la tarjeta de desarrollo Raspberry Pi y la placa de potencia para el

encendido y apagado de las luminarias, ambas montadas en el interior de la

casa. La comunicación entre el dispositivo móvil y la tarjeta Raspberry Pi se

genera vía Web, ya sea mediante WiFi o transferencia de datos, a través de

una arquitectura cliente – servidor, lo cual permite el uso del sistema de

manera simultánea por más de un usuario. (Oscar May. Renan Quijano.

Fernando Fernández, 2015).

La comunicación inalámbrica de datos entre equipos electrónicos se aplica

cada vez más, las tecnologías existentes permiten realizar diseños cada vez

más eficientes sin necesidad de un amplio conocimiento y con un número

reducido de componentes externos. Lo cual se utiliza para lograr la

comunicación entre una interfaz HMI de control y monitoreo, conectándose a

un servidor web. Permitiendo ejecutar un método remotamente y recibir su

resultado como si se tratara de un método local a nuestro sistema. Cuando

se crean sistemas embebidos con adquisición de datos inalámbricos,

permitiendo controlar iluminación, acceso y alarma. (Christian Acosta, 2015).

Para la realización del presente trabajo de titulación se planteó el siguiente

objetivo general:

Diseñar e implementar dispositivos inalámbricos para el monitoreo y

control domótico de una vivienda desde un Smartphone con

plataforma Android desde el interior o exterior de la vivienda.

Mientras que los objetivos específicos son los siguientes:

Investigar las teorías y áreas de conocimientos que soportan o

sustentan la elaboración de los dispositivos.

Desarrollar dispositivos electrónicos que permitan controlar y

monitorear de manera inalámbrica la vivienda.

Realizar y configurar la red inalámbrica entre los distintos dispositivos

necesarios.

Desarrollar la aplicación Android para Smartphone que permita

monitorear y controlar los distintos tipos de dispositivos electrónicos

desde cualquier punto donde tenga acceso a internet.

El alcance de este trabajo de titulación es diseñar e implementar un sistema

domótico de una vivienda mediante plataformas de hardware de código

abierto, permitiendo controlar, manipular, recibir, e interactuar de una

manera fácil con los distintos dispositivos electrónicos existentes en el hogar.

El diseño del sistema domótico se basa en la unión de dos plataformas

“Arduino” y “Raspberry Pi”, logrando el control y monitoreo de las mismas

desde la red ya sea dentro o fuera del hogar domótico.

17

Para el control y monitoreo se utiliza una aplicación desarrollada en software

libre para teléfonos inteligentes con plataforma Android que permite controlar

y monitorear los distintos datos del sistema, logrando el encendido o

apagado de distintos equipos, apertura y cierre de ventanas, puertas, etc.

obteniendo un monitoreo de la seguridad del hogar. Se destaca una

comunicación entre los equipos vía WiFi y entre los dispositivos mediante la

red con direcciones IP, las cuales permiten reflejar los datos a cualquier

parte del mundo, siempre y cuando se tenga conexión a internet.

Con este diseño se puede aumentar el confort de los propietarios de las

viviendas logrando disminuir el esfuerzo que se realiza dentro del hogar para

ejecutar acciones cotidianas dentro del mismo. (Figura 1).

Figura 1. Metodología aplicada al proyecto

Análisis del

Problema

Definición de

Requerimientos

Diseño

Implementación

Pruebas

Análisis de

Resultados

Sistema Domótico

18

En instalaciones domóticas implementadas con anterioridad se hace

recurrente un gran problema; el cual es el cableado que es necesario

implementar para la alimentación y la comunicación de los dispositivos que

conforman dicho sistema, generando gastos extras a los sistemas,

deteriorando las fachadas internas y externas de las viviendas ya que estas

no cuentan con tuberías necesarias para la instalación de este tipo de

sistemas, lo cual hace necesario instalar canaletas plásticas para poder

alimentar y comunicar los dispositivos; ocasionando que las canaletas que

se instalan queden visibles, lo cual genera molestias en los usuarios.

En este proyecto de titulación se comunica a los elementos que conforman

el sistema mediante una señal WiFi la cual evita que se realice un cableado

para que los elementos envíen y reciban datos, eliminado la instalación de

las canaletas plásticas lo que causa que el precio del sistema en si

disminuya tanto por las canaletas como el cableado a cada elemento.

La domótica comprende de la unión de varios sistemas que en la actualidad

se implementan por separado como son: seguridad interna del hogar,

iluminación, video vigilancia, etc. Los cuales no poseen una plataforma que

los fusione y permita monitorear a todos en general.

En este caso se desarrolló una plataforma para teléfonos inteligentes la cual

abarca todos los sistemas anteriormente mencionados, permitiendo al

usuario controlar y monitorear los mismos.

Se recolectaron los requerimientos del cliente en base a sus necesidades

tomando en cuenta el costo, estética, tiempo de respuesta, tiempo de

instalación, encender o apagar actuadores eléctricos como motores,

controlar el encendido de iluminación para crear ambientes en cuartos

determinados, visualizar a través de internet el estado de actuadores,

sensores y cámara de video vigilancia, acceso remoto a los distintos tipos de

subsistemas acoplados al sistema maestro, tiempo de entrega del

dispositivo, capacidad máxima de elementos añadidos al sistema,

disponibilidad de repuestos , modo de operación, tiempo entre

mantenimientos.

Tomando en cuenta estos requerimientos anteriormente descritos se

generaron 3 diseños conceptuales, de los cuales se escogió uno para su

posterior desarrollo, en base a los criterios de estructura y composición del

armario o tablero de control y fuerza montado en el proyecto, control del

sistema maestro y esclavos, sensores a instalarse, actuadores los cuales

realizaran los movimientos, protocolo de comunicaciones en este caso WiFi,

monitoreo del sistema en su totalidad mediante una aplicación para teléfonos

inteligentes, protecciones para los distintos circuitos tanto de control como

de fuerza instalados en el interior del hogar en este caso se utilizó breaker y

borneras portafusibles.

Se diseñó un circuito eléctrico para que los sensores y actuadores envíen y

reciban señales inalámbricas.

19

Se diseñó una aplicación móvil para controlar el sistema por medio de

internet.

Se programó distintos escenarios de iluminación en cuartos solicitados por el

cliente.

Se implementó un tablero de control el cual contiene los breaker de

protección y de borneras portafusibles para dar un grado óptimo de

seguridad a los circuitos dentro del sistema, se colocó en lugares

estratégicos los sensores y las cámaras de video vigilancia para mantener la

seguridad dentro del hogar. Se realizó un estudio de iluminación mediante el

cual se determinó estándares de iluminación adecuados para cada cuarto y

así optimizar la cantidad de luminarias necesarias en cada cuarto.

2. ESTADO DEL ARTE

21

En instalaciones domóticas actuales se instalan canaletas plásticas dañando

la estética del interior y exterior de las viviendas ocasionando gatos

adicionales por instalación y tiempo invertido de personal para colocar las

mismas, realizar el cableado desde cada sensor a su central para poder

recibir y enviar datos.

Cada sub sistema que se utiliza para que un hogar sea domótico tiene su

propia central y no se comunican entre sí, lo cual hace que el control de

cada uno sea independiente, teniendo que instalar varias aplicaciones en los

teléfonos inteligentes sobrecargando al mismo de información, teniendo que

cerrar una aplicación y abrir otra para monitorear o accionar los elementos.

Las aplicaciones desarrolladas por cada uno de los fabricantes de los sub

sistemas la mayor parte de veces no son compatibles o acoplables para

otras marcas, haciendo que sus entornos de desarrollo sea cerrados y que

no se comuniquen entre dispositivos de distintas marcas.

Para instalar seguridad dentro del hogar como sensores de movimiento,

sensor de ruptura de cristales, sensores de humo es necesario instalar un

cableado desde los mismos a su central, lo cual en este proyecto de

titulación se creó un circuito el cual se acopla a los dispositivos y permite

eliminar el cableado transmitiendo las señales mediante WiFi utilizando este

para transmitir datos incrementando la capacidad para transmitir

información, almacenarla, transmitirla, recibirla y procesarla. Lo cual permite

establecer una comunicación con el resto de dispositivos conectados a la red

interna del hogar desde cualquier lugar. Mediante este protocolo de

comunicación podemos recibir señales de video vigilancia y estados de

sensores, también podemos enviar datos a los actuadores para que realicen

las acciones programadas por el operador. Permitiendo establecer una

comunicación entre todos los dispositivos instalados dentro y fuera del hogar

y estableciendo una comunicación entre todos ellos hacia una sola central

que controla todos los subsistemas. Como se da a notar en la (Figura 2). El

hogar en si tiene una interrelación con cada uno de los elementos dentro del

mismo.

Figura 2.Esquema de hogar digital

22

Al instalar sensores de movimiento o de presencia y cablearlos (Figura 3), es

necesario llevar un cable desde cada sensor a la central lo cual en las cajas

de conexiones da una sobre carga de cableado dependiendo del número de

sensores al ser instalados, en este trabajo de titulación se los acoplo a una

placa que capta la señal enviada por el sensor y la envía mediante un

moduló WiFi hacia la central la cual capta los estados de los mismos.

Figura 3. Sensor de presencia

En el caso de los sensores magnéticos, su funcionamiento depende de la

distancia que posea entre su campo magnético, enviando una señal al

dispositivo eléctrico al que esté conectado. Si el inductor interno es

alimentado genera un campo magnético que realiza el cierre del sistema, si

se deja de alimentar el campo magnético desaparece y deja abierto el

sistema. Se los utiliza habitualmente para el control de apertura o cierre ya

sea de puertas o ventanas, para enviar mediante WiFi el cambio de los

mismos. (Figura 4).

Figura 4. Sensor magnético

Las aplicaciones domóticas existentes no poseen una central que capte las

señales enviadas por los distintos subsistemas, lo cual en este proyecto de

titulación se desarrolló con una arquitectura centraliza a un sistema maestro,

que es elencargado de enviar información a los actuadores e interfaces,

como una respuesta de lo registrado por los sensores o los propios usuarios

que han activado alguna orden del sistema de control. (Figura 5).

23

Figura 5. Esquema Arquitectura Domótica Centralizada

Los requerimientos del usuario son un dato muy importante para el

desarrollo de este trabajo de titulación. Los cuales tomados en cuanta tanto

en el inicio como en el final del mismo.

El costo al momento de la implementación de sistemas domóticos ya que en

el país es muy costoso, por el motivo que no existe una placa centralizada

para todos los sistemas y es necesario implementar los mismos uno por uno

dentro del hogar ocasionando compras a distintos proveedores o marcas e

incrementando su costo. Un sistema domótico en la actualidad se instala

entre 8000$ y 9000 $ dólares americanos para obtener un sistema domótico

completo en todo el hogar sin ser centralizado, en este trabajo de titulación

se hace un estimado de 4900 $ dólares americanos integrando varios sub

sistemas para lograr un sistema maestro completo de domótica haciendo a

este más económico y eficiente.

La seguridad que proporciona un sistema domótico es mucho más amplia

que la que puede brindar un sistema tradicional, pues integra tres campos de

la seguridad que normalmente están controlados por sistemas individuales.

a) Seguridad de los bienes:

Gestión de control de acceso y control de presencia, así como la

simulación de presencia dentro del hogar.

b) Seguridad de las personas

Se puede tener acceso desde un teléfono inteligente para monitorear a

personas mayores o minusválidas.

c) Incidentes

Mediante un botón, se puede dar aviso mediante un mensaje de cualquier

24

novedad a sus ocupantes.

La domótica también ofrece la interconexión de los sistemas de seguridad

con el resto de dispositivos conectados en la misma red, lo que incrementa

la versatilidad del sistema. (Molina González, 2010).

Estética es muy importante para el cliente ya que no desea tener canaletas

plásticas expuestas en el hogar como los sistemas tradicionales, para esto

se eliminó la comunicación mediante cablees y si estableció la comunicación

entre dispositivos mediante señal WiFi con lo cual se elimina el

inconveniente de colocar canaletas vistas dentro y fuera del hogar.

Tiempo de respuesta entre los dispositivos integrados a la red y la

interacción desde el teléfono inteligente deben ser casi en tiempo real ya que

si existe un problema dentro del hogar ya sea robo o incendio debe poder

realizar una acción en el instante del suceso.

Ordenador que sea de bajo costo “Raspberry PI” que permite trabajar con

tan solo conectarlo a una pantalla y a un teclado, que posea un espacio de

almacenamiento “micro SD”, (Raspberry Pi, 2012).

Levantar un Web Server que se ejecute continuamente, manteniéndose a la

espera de peticiones de ejecución que lo hará un cliente o usuario de la

aplicación. Se encarga de contestar a estas peticiones de forma adecuada.

Android es un sistema operativo orientado a dispositivos portátiles como

teléfonos inteligentes, netbooks, tabletas, entre otros.Un sistema operativo

de teléfonos inteligentes como “Android”, que se diferencia del resto de

sistemas operativos para dispositivos móviles con iOS o Windows Phone, el

código fuente de Android se mantiene abierto lo que ha significado su

implementación a diversos dispositivos moviles. Soporta multimedia, interfaz

táctil, características basadas en voz y una amplia variedad de componentes

de hardware. Si se añade a esto un entorno de desarrollo gratuito que

incluye un emulador de dispositivos, herramientas para depuración de

memoria y análisis del rendimiento del software.(Baéz, Borrego, Hernández,

& Torralbo, 2010).

EL modo de funcionamiento se va a dividir en dos partes las cuales son:

Tablero de control y aplicación móvil.

En el tablero de control se ubican las protecciones de los sistemas eléctricos

de la casa y las protecciones del circuito de control, la placa Raspberry Pi, la

placa arduino y una placa de relés para controlar la iluminación. EL tablero

posee un selector el cual permite pasar de manual o automático.

En modo automático el sistema se lo puede controlar desde la aplicación

móvil estableciendo comunicación entre los dispositivos instalados en la red

25

interna y los dispositivos conectados mediante la aplicación para así poder

controlar y monitorear los mismos.

En modo manual el cual entraría a funcionar en caso de una falla de algunas

de las placas de control ya sea Raspberry Pi o Arduino, o en caso de una

falla de energía, permitiendo controlar el sistema como tradicionalmente lo

haría una casa si domótica; con interruptores de luz.

La aplicación móvil, permite que el usuario se descargue la misma mediante

un código QR el cual la instalara en su dispositivo, se coloca una contraseña

establecida y única por el usuario que solo él tiene la posibilidad de colocar a

los integrantes de su familia, la cual le permite el ingreso al sistema,

permitiendo controlar seguridad, puertas, cámaras e iluminación del interior,

control de temperatura y exterior del hoga

3. METODOLOGÍA

27

En el siguiente diagrama de flujo se detalla el método que se utilizó para la

consecución de los objetivos, este se basa en la metodología expuesta por

William Bolton para el desarrollo de sistemas mecatrónicos. (Figura 6).

Figura 6.Metodología mecatrónica aplicada al proyecto

(Bolton, 2006)

Se levantó un servidor el cual es la parte más importante y fundamental del

sistema domótico el cual es el que reúne y asocia a todos los subsistemas

para así poder interrelacionar los mismos e integrarlos en una sola

plataforma, el servidor está conectado a internet el cual se puede conectar a

una aplicación móvil instalada en teléfonos inteligentes lo cual permite

controlar y monitorear los distintos sub sistemas acoplados al servidor.

El usuario envía una señal por medio de la aplicación ya sea un uno lógico o

un cero lógico el cual permitirá al servidor enviar una orden a los distintos

controladores que están instalados en el sistema.

Servidor

Aplicación

Smarthphone

Internet

Controlador

Nodo 1

Controlador

Nodo 2

Controlador

Nodo 3

Iluminación Sensor

Driver

Actuador

28

Si se envía una señal de encendido o apagado de luminarias instaladas esta

pasa por un controlador el cual permite recibir la señal y realizar la acción

necesaria.

Es similar en los distintos sub sistemas instalados ya sea en los actuadores

y sensores, estos envían y reciben datos los cuales mediante el servidor se

reflejan en la aplicación móvil y a su vez al usuario.

En los siguientes esquemáticos se reflejan los distintos dispositivos

instalados en su detalle en la (Figura 7), se da a notar el diseño de los

sensores.

Figura 7.Esquemático de sensores

Para los actuadores se recibe una señal mediante WiFi la cual llega al

Arduino el mismo da un impulso activando un relé para el accionamiento de

los actuadores ya sean luminarias, motores, encendido de calefactor, como

se refleja en la (Figura 8).

Figura 8.Esquemático de actuadores

Para recibir los datos de video vigilancia se recolecta la información que

envían las cámaras ya que estas son IP y transmiten la información

mediante WiFi, se acopla la señal directamente al controlador principal que

es la Raspberry Pi la cual envía los videos a la aplicación véase en la (Figura

9).

Figura 9.Esquemático video vigilancia

Movimiento

Temperatura

Humo

Arduino Nano Módulo WiFi

Relé Módulo WiFi Arduino

Video

Cámaras WiFi Aplicación Móvil Raspberry

Pi

Iluminación

Motores

Calefactor

29

La aplicación móvil tiene como entradas la solicitud del usuario en la misma,

mediante los botones a presionar para que así se realicen la acciones

solicitadas, este envía la información mediante el servidor web el cual llega a

la Raspberry Pi, y da la señal de activación a los distintos actuadores. Véase

en la (Figura 10).

Figura 10.Esquemático video vigilancia

Aplicación

Móvil Servidor

Web Actuadores Raspberry

Pi

4. DISEÑO

31

4.1 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO

El sistema eléctrico se encarga de regular y estudiar las características

eléctricas de los elementos que se utilizarán para la implementación del

proyecto. Definir las corrientes y tensiones necesarias para cubrir el

consumo de los elementos domóticos y también definir las protecciones

necesarias para evitar daños en el sistema.

CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS

Los componentes electrónicos se seleccionaron mediante las necesidades

del sistema domótico, cada uno de los elementos fueron dimensionados en

base a las características del proyecto. En los planos que se muestran a

continuación se puede observar la distribución de los componentes

electrónicos que debe controlar el sistema domótico.

El plano de la (Figura 11), se muestra la distribución de las luminarias dentro

de la casa. Estas luminarias fueron analizadas y seleccionadas con el

software DIALux, como se puede observar en el estudio de iluminación

dentro del presente capitulo.

Figura 11. Plano de distribución de luminarias dentro de la casa

En la (Figura 12), se encuentra la distribucion fisica de los diferentes

componentes que conforman el sistema de seguridad, como son sensores,

actuadores y panel de control. La selección de estos elemenntos se adecuo

a las necesidades del sistema.

32

Figura 12.Plano de distribución de actuadores, sensores y panel de control

Los planos de las (Figuras 13 y 14), muestran la distribución de luminarias y

actuadores en el área de la cancha de baloncesto y la entrada de la

propiedad.

Figura 13. Plano de distribución de luminarias de la cancha de baloncesto

33

Figura 14. Plano de distribución de actuadores y luminarias de ingreso a la propiedad

Contacto magnético

Dentro del sistema el contacto magnético sirve para saber cuándo una

puerta o venta se encuentra abierta o cerrada. Estos sensores son

inalámbricos y se comunican con el sistema mediante la red WiFi de la casa.

Este dispositivo fue seleccionado en base a sus características

principalmente a la frecuencia de trabajo, se buscaba dispositivos que se

adapten a la red WiFi, en este caso el dispositivo trabaja con frecuencias de

433Mhz por lo que no va a tener inconvenientes dentro del sistema (Tabla

1).

Tabla 1.-Características del contacto magnético

Contacto de puerta/ventana inalámbrico WS4945

Marca Tyco Security Products

Frecuencia de trabajo 433 Mhz

Distancia máxima de detección 16 mm

Tipo de contacto Normalmente cerrado

Batería Litio, 3 V

Vida útil de batería 5 a 8 años

Detectores de rotura de cristales

Estos detectores se encargan de verificar el estado de las ventanas.

Estos sensores funcionan en base a sonidos y vibraciones. Las

características de estos sensores se muestran en la (Tabla 2).

34

Tabla 2. Características de los detectores de rotura de cristales

Detector de rotura de cristales DSC

Marca Tyco Security Products

Frecuencia de trabajo 433 Mhz

Distancia máxima de detección 7.5 m

Corriente de contacto 1 A a 24 V

Voltaje de alimentación 9-16 V

Corriente máxima de trabajo 35 mA

Detector de humo

Los detectores de humo tienen la función de activar las alertas o enviar

avisos a la aplicación si se detecta un incremento de las partículas de

combustión en el ambiente de la casa, con el fin de prevenir un incendio

(Tabla 3).

Tabla 3. Características del detector de humo

Detector de humo inalámbrico WS4916

Marca Tyco Security Products

Frecuencia de trabajo 433 Mhz

Tipo de sensor Fotoeléctrico

Sensibilidad nominal 3.0% +/- 0.8% oscurecimiento/pie. (UL)

Batería 2 baterías de Litio, 3 V

Vida útil de batería 5 a 8 años

Sensor de movimiento

Las características de estos sensores se muestran a continuación en la

(Tabla 4).

Tabla 4. Características del sensor de movimiento

Detector infrarrojo pasivo inalámbrico WS4904

Marca Tyco Security Products

Tipo de sensor Infrarrojo

Frecuencia de trabajo 433 Mhz

Cobertura 12 m x 12 m

Batería Litio, 3 V

35

Sensor de temperatura y humedad

Este sensor sirve para controlar la climatización de la casa, el usuario puede

establecer una temperatura específica y el sistema domótico debe activar los

actuadores para estabilizar la temperatura a la señalada. Estos están

ubicados en los dormitorios y en el estudio. Las características del sensor

son los que se explican en la (Tabla 5).

Tabla 5. Características del sensor de temperatura y humedad

Sensor de temperatura y humedad DHT22

Marca AosongElectronics Co.,Ltd

Voltaje de alimentación 3.3-6 V DC

Tipo de sensor Capacitivo

Rango de operación Humedad 0-100%RH

Rango de operación Temperatura -40~80 Celsius

Batería Litio, 3 V

Exactitud 0.1% RH;

36

Tabla 7. Características del motor de puerta

Motor para automatización de puertas deslizantes Serie BX-246

Marca CAME CancelliAutomatici

Voltaje de alimentación 230 V AC

Frecuencia de trabajo 50/60 Hz

Potencia de consumo 400 W

El motor fue seleccionado con base en el peso de la puerta y la potencia

necesaria para moverla.

Calefactor

El calefactor se encarga de estabilizar la temperatura de las diferentes áreas

de la casa. Considerando que el clima donde se ubica la casa varía entre los

5 hasta los 25 grados centígrados, y teniendo como referencia una

temperatura optima de 22 grados centígrados, se eligió un calefactor que se

encienda si la temperatura es baja y se apague cuando la temperatura sea

mayor o se la desee estabilizar. Los calefactores se encuentran en dos

dormitorios y en el estudio. Las características del calefactor se ven en la

(Tabla 8).

Tabla 8. Características del calefactor

Radiador eléctrico / vertical HZ-709

Marca Honeywell

Voltaje de alimentación 120 V AC

Frecuencia de trabajo 60 Hz

Corriente de trabajo 12.5 A

Consumo de potencia 1500 W

Para la selección del todo el sistema de iluminación se realizó un estudio

específico donde se establecieron los requerimientos del sistema y se

eligieron los elementos adecuados para la implementación. El estudio se

muestra a continuación.

4.2 ESTUDIO DE ILUMINACIÓN

A partir del análisis de la información reunida, es posible establecer las

características que debe poseer la instalación para satisfacer las distintas

demandas del usuario.

37

Elección del sistema de alumbrado

En la siguiente (Figura 15), se muestras los tipos de alumbrado que serían

adecuados utilizar en las instalaciones de nuestro caso y en la (Tabla 9), se

resumen las características más importantes a tener en consideración para

seleccionar el tipo más adecuado.

Figura 15.Tipos de iluminación

Tabla 9. Tabla de características para la selección de luminarias

Sistema

de

alumbrado

Disposició

n de

luminarias

Característi

cas de

luminarias

Efectos visuales

Consumo

energético Sobre el

espacio

Sobre

personas

u objetos

General Uniforme

Altos niveles

de

iluminación

en todo

espacio

Produce

sensación de

amplitud y

orden

Modelados

blandos Elevado

Localizado Irregular

Altos niveles

de

iluminación

sólo en áreas

de interés

Produce

sensación de

reducción de

espacio

Modelados

duros Reducido

General y

localizado

Uniforme e

irregular

Iluminación

general

reducida

respecto de

áreas de

trabajo

Un balance

adecuado

puede

compensar la

sensación de

reducción de

espacio

Modelado

casi natural Intermedio

Modulariza

do

Uniforme

por

sectores

Iluminación

media

elevada

Similar al

alumbrado

general

Similar al

alumbrado

general

Elevado

38

De acuerdo al análisis de los sistemas de alumbrado en la (Tabla 10), y en

conjunto con el propietario de la vivienda se determinó que el sistema de

alumbrado General Localizado es el adecuado para la vivienda en conjunto

con el diseño arquitectónico de la misma.

Elección de las fuentes luminosas

Para la selección de las lámparas hay que tener en cuenta todos sus

parámetros y características funcionales, para el estudio se debe considerar

los factores de diseño que tiene que ver con las características, rendimiento

luminoso, tiempo encendido. En la (Tabla 10), se muestran los factores de

diseño a tener en cuenta.

Tabla 10. Tabla de factores de diseño

Características delas fuentes luminosas Requerimientos de diseño a tener en

cuenta

Rendimiento luminoso “lm/w”

Vida útil “Horas”

Dimensiones

Disponibilidad

Tiempo diario de funcionamiento

Uso racional de energía

Demandas estéticas

Requerimientos de mantenimiento

Seguridad

Es adecuado utilizar lámparas de luz tipo LED (Diodo emisor de luz), color

blanco, SYLVANIA. Adecuadas para cada ambiente dentro del hogar en

coordinación con la arquitectura y ubicación de las mismas.

Área a iluminar

De acuerdo a los planos suministrados por arquitectura:

Área/ Espacio a iluminar:

Primer piso: 11.5 x 9.17 x 2.80 m “Largo x ancho x altura”

Garaje: 6 x 5 x 2.8 m “Largo x ancho x altura”

Cancha múltiple: 28.5 x 15 x 3 m “Largo x ancho x altura”

Nivel de iluminación considerado: Residencial

Requerimientos de iluminación para la satisfacción de necesidades básicas:

Confort Visual: Los usuarios tienen una sensación de bienestar, de un

modo indirecto también contribuye a un elevado nivel de la

productividad.

Prestaciones Visuales: Los usuarios son capaces de realizar sus

tareas visuales, incluso en circunstancias difíciles y durante periodos

más largos.

39

Tablas de referencia

La (Tabla 11), muestra las normas necesarias en las que se basó el estudio

la implantación de las luminarias.

Tabla 11. Tabla de normas para iluminación

Normas para iluminación

Norma Título

UNE 12464.1 Norma europea sobre iluminación para interiores

NOM-025-STPS-

2008 Condiciones de iluminación en los centros de trabajo

INEN 1 154 Iluminación natural de edificios para fábricas y talleres

La (Tabla 12), muestra los factores a tener en consideración para la

selección de las luminarias.

Columna 1: Número de referencia para cada área

Columna 2: Tipo de interior, área y actividad

Columna 3: Iluminación mantenida Em, Haciendo referencia al área interior.

Columna 4: Límite de índice de Deslumbramiento unificados UGR

Columna 5: Índices de rendimiento de colores RA mínimos

Tabla 12. Tabla de análisis de valores de variables

N° Área Em lux UGR l Ra

1 Dormitorio 300 19 80

2 Baño 300 19 80

3 Sala 300 19 80

4 Estudio 500 19 80

5 Cocina 500 22 80

6 Garage 200 25 20

Selección de luminarias para las casa

Para la selección de las luminarias, se utilizó el programa DIALux.

Ingresando las características principales de los diferentes espacios físicos,

como son las dimensiones de las habitaciones, la distribución de los

espacios físicos, y el estudio de las características de las luminarias

mostrado anteriormente para cumplir las necesidades del usuario en cada

una de las áreas de la casa. El software procesa los datos ingresados,

realiza un modelo preliminar de la distribución de la iluminación en cada

habitación y sugiere diferentes luminarias. Se realizaron los siguientes

modelos en tres dimensiones de la casa para el cálculo. (Figura 16 y 17).

40

Figura 16. Modelo 3D del exterior de la casa

Figura 17. Modelo 3D del interior de la casa

Junto con el modelo en tres dimensiones de la casa se adjuntaron los planos

de los espacios físicos donde se requiere colocar las luminarias.

Una vez ingresado todos los planos se obtuvo como resultado la selección

de las siguientes luminarias para la casa las cuales se revisó si existen en el

país. (Tabla 13).

Tabla 13. Tabla de selección de luminarias

Número de unidades Tipo de luminaria

2

Hela

Flujo luminoso 4800 lm

1xdl-43W-4000k-clear

2

Hela

Flujo luminoso 23000 lm

1xil230w

25

Hela

Flujo luminoso 3100 lm

1x5l-41W-400k

4

Ligthing Technologies

Flujo luminoso 7073 lm

D65 ex 5000k

41

4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

El sistema de control es el encargado de monitorear los estados de los

diferentes sensores instalados, procesar las señales y tomar decisiones para

activar los diferentes actuadores del sistema. El análisis realizado, muestra

la configuración de este sistema y las bases para la selección de los

diferentes componentes.

El primer paso es definir si el sistema fue activado, mediante la aplicación,

caso contrario los dispositivos conectados en el hogar puedenutilizarse

manualmente. Si el sistema fue activado las diferentes tareas de control

podrán efectuar sus operaciones, analizando la información enviada por los

sensores hacia el sistema central de control, este proceso debe ser un bucle

del sistema, ya que siempre es necesario conocer el estado de los sensores,

El estado de los sensores será analizado continuamente, por lo que está

retroalimentado. Si los sensores están activados, el sistema realizará un

trabajo específico, por ejemplo si el sensor de humo se activa, su función es,

enviar esta información a la aplicación, para que el usuario pueda observar

que está pasando en su hogar, y como medida de prevención se activara la

alarma para que las personas que se encuentran en el área también tengan

la información de que algo está ocurriendo.

Es necesario decir que los botones programados dentro de la aplicación

también pueden activar los actuadores y en el caso de la apertura de puerta

de la entradaesnecesario activarla desde la aplicación debido a que no

existe una tarea que dependa de la activación de algún sensor.

En el caso de los botones al igual que los sensores es necesario revisar su

estado en todo momento por lo que se retroalimenta.

Para la activación de los actuadores, como se ha descrito hasta el momento,

se lo puede realizar mediante la comprobación de los estados de los

sensores o en el caso dela puerta de entrada mediante los botones de la

aplicación.

También es necesario mencionar que el único actuador que tiene otra

condición de funcionamiento es el calefactor debido a que también depende

de la temperatura en la que se encuentren las diferentes habitaciones, esta

temperatura se la fijo en 22 grados centígrados.

Por último los actuadores se desactivan si los sensores o los botones de la

aplicación regresan a su estado inicial lo que reinicia el flujo principal del

programa.

42

CONFIGURACIÓN DE LAS PLACAS DE CONTROL

Configuración de Raspberry Pi

Es necesario instalar el sistema operativo en la placa, en este caso se

utilizará Raspbian-jessie, a continuación se detalla los pasos necesarios

para realizar la instalación. (Figura 18).

Figura 18.Página web oficial de Raspberry Pi

Se realiza la configuración IP que la importante en este caso.

Configuración WiFi para Arduino

Se realiza un programa, para Arduino el cual está conectado al módulo WiFi,

para establecer los pines en lo que se necesita tener recepción y

transmisión, y se configura la velocidad a la que transmiten tanto el Arduino

como el WiFi. El proceso se explica a continuación en la (Figura 19).

Figura 19. Sketch de Arduino para configuración de pines

43

Configuración de direcciones IP para módulos WiFi estáticos

Las configuraciones de las direcciones IP para los módulos WiFi de cada

uno de los dispositivos se realizó directamente desde el modem el cual

recoge todas las señales de los componentes instalados dentro de la red. Se

coloca las direcciones MAC de los equipos (Figura 20).

Figura 20. Reservación de direcciones IP

Se escribe la dirección MAC de cada módulo WiFi existente, porque esta

es única e irremplazable y viene por defecto en el equipo y se asigna la

dirección IP para ese equipo específicamente.

CONFIGURACIÓN DE LA RED DEL SISTEMA

La función principal de la placa RaspberryPi es la de gestionar la red de

equipos conectados en el sistema, es decir que permite la comunicación

entre el sistema de control y los sensores. Su otra función es la de permitir el

acceso remoto al sistema por medio de internet.

Para el presente trabajo se instaló una serie de software dentro de la

Raspberry, los cuales se necesitan para lograr la comunicación requerida

entre los componentes (Figura 21).

Apache: Servidor Web HTTP open source.

MySQL: Base de datos Open source

PHO (Personal Home Pages): Lenguaje de programación que forma parte

del servidor web para crear wbs dinámicas.

PHPmyAdmin: Sirve para administrar la base de datos a través de interfaz

web.

Figura 21. Software requerido para la configuración de la placa Raspberry Pi

44

En la siguiente imagen se puede mostrar el procedimiento de un servidor

web (Figura 22).

Figura 22. Conexión de servidor

Todos los elementos que se instalaran en la Raspberry Pi estarán

funcionando sobre el sistema operativo DEBIAN de LINUX por lo que los

comandos de ejecución serán explicados bajo esta plataforma.

Instalación y configuración de Apache

Para que todo funcione es necesario instalar el propio servidor, el más

común es Apache.Para poder visitar la web desde otro ordenador dentro de

la red local habrá que conocer la IP del Raspberry Pi.

Por medio del navegador se puede acceder mediante la IP del Raspberry Pi

desde el computador con la siguiente dirección:http://192.168.1.105.

Instalación y configuración de PHP

Es necesario instalar el lenguaje de programación PHP en la placa

RaspberryPi.

Instalación y configuración deMySQL

MySQL es un gestor de base de datos de código libre que sirve para

almacenar y gestionar bases de datos. Para su instalación se utiliza el

siguiente código:

sudoapt-getinstallmysql-server mysql-client php5-mysql

Es necesario colocar una contraseña para iniciar el programa, la contraseña

será establecida por el usuario.

Instalación y configuración dePHPmyAdmin

PHPmyAdminés un software basado en PHP que sirve para administrar la

base de datos MySQL a través de interfaz web.

http://192.168.1.105/

45

En el proceso de instalación es necesario indicar que servidor web se ha

instalado en la placa raspberry. (Figura 23).

Figura 23. Fichero de instalación de PHPmyAdmin

4.5 DISEÑO DE LA APLICACIÓN MOVIL

La aplicación fue diseñada en el software App Inventor que trabaja para

plataformas que funcionen con Android, la selección de este sistema se

debe a que en el mercado actual la mayoría de usuarios de teléfonos

inteligentes usan sistemas con sistemas operativos Android.

El desarrollo se lo realizó por pantallas, donde se colocaron los diferentes

dispositivos del sistema domótico. Se implementó un sistema de fácil uso e

intuitivo para el usuario. A continuación se muestra cada una de las pantallas

programadas.

Diseño de pantalla de inicio

La pantalla de inicio es la primera que aparecerá cuando se inicie la

aplicación. En esta pantalla se colocó un cuadro de texto donde se da la

bienvenida al usuario, de igual manera se insertó una imagen del logo de la

carrera de Mecatrónica de la universidad. En esta pantalla era necesario

implementar un sistema de acceso mediante una clave, logrando proteger el

acceso a los dispositivos del sistema, se colocaron tres botones, el primer

botón sirve para ingresar al sistema cuando la contraseña sea correcta. El

segundo botón sirve para ingresar por primera vez la contraseña y que sea

guardada en la base de datos. El tercer botón sirve para reiniciar o cambiar

la contraseña, para realizar esta operación de igual manera se necesita

ingresar la contraseña anterior. (Figura 24).

46

Figura 24. Programación de la pantalla de inicio en App Inventor

Diseño de pantalla delíndice

La pantalla del índice sirve como nexo para ingresar a los diferentes

componentes del sistema. En esta pantalla índice se colocó un texto de

“INDICE” y la imagen de la universidad. (Figura 25).

Figura 25.Programación de la pantalla del índice en App Inventor

También se colocaron siete botones, el primer botón sirve para ingresar al

sistema de seguridad y poderactivar o chequear los elementos destinados a

esta función. El segundo botón sirve para entrar al sistema de control de

motores de puerta para abrirlas o cerrarlas. El tercer botón permite acceder

a las cámaras de colocadas en la casa. El cuarto botón contienen todas las

luminarias que pueden ser encendidas o apagadas desde el dispositivo

móvil. El quinto y sexto botón permiten acceder a dos escenas diferentes,

que fueron configuradas para activar ciertos dispositivos del sistema

47

automáticamente dependiendo de los requerimientos del sistema. El último

botón sirve para salir de la pantalla y dirigirse a la pantalla de inicio.

Diseño de la pantalla de seguridad

En esta pantalla se colocaron todos los dispositivos relacionados al sistema

de seguridad. En este caso sensores de movimiento, sensores de cristales

rotos, contactos magnéticos de puertas, sensor de humo y las cámaras de

seguridad. Mediante checkbox en cada uno de los elementos se puede

determinar el estado de cada uno de los sensores para determinar ciertas

acciones en el mismo. Además se colocaron tres botones, el primer botón

señala que el usuario esta en casa y que si se activa alguno de los sensores

envíe la información al checkbox, pero no realice ninguna acción. El segundo

botón es para activar la alarma total de la casa donde sí se activa cualquiera

de los sensores envíe la información al checkbox y además active la sirena

dentro de casa. El último botón es de emergencia y realiza una llamada de

auxilio al 911 si es presionado. (Figura 26)

.

Figura26. Programación de la pantalla de seguridad en App Inventor

Diseño de pantalla de puertas eléctricas

La pantalla de control de puertas tiene implementado dos botones para abrir

y cerrar las puertas mediante la activación de los motores, tanto la de la

entrada a la propiedad como la del garaje. (Figura 27 y 28).

48

Figura 27.Pantalla de control de puerta implementada en Android

Figura 28.Programación de la pantalla de control de motores en App Inventor

Diseño de pantalla de iluminación

En esta pantalla se implementaron botones para encender y apagar las

luces de cada una de las áreas de la casa que son, los dos dormitorios, el

estudio, la cocina y la sala. (Figura 29).

49

Figura 29.Pantalla de iluminación implementada en Android

Diseño de pantalla de cámaras

En la pantalla de cámaras, se colocaron las cuatro cámaras que se

encuentran instaladas en la casa. Estos cuadros sirven para visualizar la

imagen en tiempo real de cada uno de los dispositivos. (Figura 30).

Figura 30.Pantalla de cámaras implementada en Android

50

Diseño de pantallas de escenas

Las pantallas de las escenas, son modificables y deben adaptarse a las

necesidades del cliente, en estas pantallas se colocan ciertos dispositivos

que deben ser activados de manera automática con el fin de lograr un

escenario preestablecido dentro del hogar.

Para el presente proyecto se crearon dos escenas, la primera enciende la

iluminación de la sala y del primer dormitorio, además estabiliza la

temperatura mediante el calefactor. La segunda escena controla la

iluminación de la sala y la coloca en un nivel establecido por el usuario.

(Figura 31 y 32).

Figura 31. Pantalla de escena 1 implementada en Android

Figura 32.Pantalla de escena 2 implementada en Android

4.6 DISEÑO PLACA WIFI

Para el diseño de las placas acopladas a los actuadores se realizó

esquemas en AutoCAD para luego realizar pruebas, las cuales fueron

51

desarrolladas en protoboard en un inició para lograr descartar fallas en las

conexiones y el funcionamiento de la misma. (Figura 33).

Figura 33.Pruebas protoboard

Luego de establecer que el funcionamiento es el correcto se elaboró placas

para la instalación de las mismas en los diferentes actuadores. (Figura 34).

Figura 34.Placa electrónica aislada

Con las pantallas de la aplicación programadas y con los sistemas del

servidor configurados y listos para operar, es posible realizar las pruebas de

funcionamiento del sistema domótico. En el siguiente capítulo se analizaran

los resultados obtenidos del protocolo de pruebas planteado para el sistema

.

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

53

Una vez finalizado el proceso de diseño se tuvo como resultado un sistema

domóticoimplementado y en funcionamiento con el siguiente presupuesto:

(Tabla 14).

Tabla 14. Presupuesto generado para el proyecto

Item Descripción Cantidad

Precio

unitario en

dólares

Precio

total en

dólares

1 Raspberrypi 1 75 75

2 Arduino Mega 1 25 25

3 Arduino Nano 1 20 20

4 Placa de Relés 1 35 35

5 Fuente de Voltaje 1 60 60

6 Breaker de Protección 9 10 90

7 Motores Eléctricos 2 750 1500

8 Sensores de Movimiento 5 25 125

9 Sensores de Humo 4 25 100

10 Sensor de Temperatura 3 25 75

11 Sensores Magnéticos 3 25 75

12 Sensor de Cristales Rotos 6 45 270

13 Electro Válvulas 1 45 45

14 Sirena 1 20 20

15 Calefactor 3 95 285

16 Lámparas Tipo Led 6 110 660

17 Tablero de control 1 160 160

18

Base Para Tablero de

Control

1

45

45

19 Pantalla 7’ para raspberry 1 65 65

20 Instalación 1 230 230

21 Mano de Obra 1 400 400

SUBTOTAL 4285

IVA 14% 599.9

TOTAL 4884.9

La implementación del sistema se realizó de manera sistemática revisando

el funcionamiento de cada uno de los dispositivos conectados en la red

domótica.

54

Se realizó la conexión del sistema de control dentro del tablero como se

muestra en la siguiente (Figura 35).

Figura 35.Conexiones del tablero de control

Como podemos ver en la imagen, dentro del tablero de control se colocaron

las protecciones del sistema, la fuente de alimentación de los dispositivos, el

controlador Arduino Mega ADK, la placa Raspberry Pi y los relés para

activación de los actuadores. El tablero de control se encuentra instalado en

la cocina de la casa como se indicó en los planos realizados (Figura 36 y

37).

Figura 36. Protecciones y fuente de voltaje del sistema de control

55

Figura 37. Conexión de Arduino Mega ADK y Raspberry Pi en el tablero de control

De igual manera se realizó la instalación de los sensores y actuadores

distribuidos como se indicó previamente en los planos de la casa, como se

puede observar en las siguientes (Figura 38, 39, 40 y 41).

Figura 38. Instalación del sensor magnético

56

Figura 39. Instalación de sensor de humo

Figura 40. Instalación de sensor de movimiento

Figura 41. Instalación de motor en la puerta del garaje

Posterior a la instalación del sistema se procedió a realizar las pruebas

necesarias.

57

5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

PRUEBA DE COMUNICACIÓN ENTRE DISPOSITIVOS

Las pruebas de comunicación entre los dispositivos se realizaron mediante

las direcciones IP que se asignaron a cada uno de los sensores y

actuadores del sistema. En la siguiente figura se puede observar cada una

de las direcciones asignadas. (Figura 42).

Figura 42. Direcciones IP de cada elemento del sistema

Mediante el símbolo del sistema de la placa Raspberrry se comprobó que

todos los elementos se encuentran operando sin inconvenientes y que la

comunicación está operando correctamente en la red local.Además de

comprobar los tiempos de respuesta de cada uno de los dispositivos, como

resultado se obtuvo que la mayoría de respuestas de los dispositivos son

tiempos menores a 1 ms. En las siguientes figuras se muestran algunos

resultados obtenidos desde el símbolo de sistema y una tabla con los

elementos, las direcciones IP y los tiempos de respuesta. (Figura 43 y 44).

Figura 43. Prueba de conexión sensor de movimiento dormitorio 1

58

Figura 44. Prueba de sensor de cristales rotos dormitorio 1

59

Tabla 15. Tabla de direcciones IP y tiempos de respuesta

Con los tiempos establecidos podemos decir que todos los procesos deben

trabajar y dimensionarse en base al sensor con mayor tiempo de respuesta,

en este caso el sensor de cristales rotos del dormitorio 2, para evitar

Ítem Descripción Dir. IP Min. Max.

1 Router 192.168.1.1 2 88

2 Raspberry pi 2 Ethernet 192.168.1.2

60

problemas en el funcionamiento del sistema es necesario considerar esta

variable y colocar los tiempos de espera necesarios para que el controlador

pueda recibir y procesar la señal. El resto de actuadores y sensores no

tendrán inconvenientes en el funcionamiento debido a que su tiempo de

respuesta es menor y se puede procesar las señales casi en tiempo real.

5.2 PRUEBA DE PROGRAMACIÓN DE ESCENARIOS Y

ACCESO REMOTO DESE LA APLICACIÓN MÓVIL

Para las pruebas de control de escenarios se implementaron dos pantallas.

La primera pantalla como se explicó anteriormente, controla el encendido de

la luz de la sala y del dormitorio principal, además del encendido de la

calefacción. En la primera prueba se configuro para que todo se active

simultáneamente, como se pudo observar en los tiempos de respuesta del

sistema no existe problema para activar todo en tiempo real si el usuario se

encuentra dentro de la red de área local. No existieron tiempos de retraso en

el accionamiento simultáneo de los componentes del primer escenario. La

segunda prueba para este escenario consistió en modificar los tiempos de

accionamiento, al presionar el botón de la escena debía pasar 20 segundos

para accionar la luz de la sala, 30 segundos para accionar la calefacción y 1

minuto para encender la luz de la habitación. Nuevamente se obtuvieron los

resultados esperados sin retrasos significativos, debido a que los tiempos de

respuesta dentro del área local se encuentran en la orden de los micros

segundos.

La segunda escena programada es más simple debido a que debe prender o

apagar algunas de las luminarias de la sala con el fin de lograr la iluminación

adecuada para observar una película. Los tiempos de respuesta de la

escena fueron óptimos.

Por último para comprobar el acceso remoto al sistema por medio de la

aplicación e internet, se realizó la prueba de accionamiento de las escenas

mediante la aplicación fuera de la red de área local. Se realizó esta prueba

mediante el celular y la aplicación. Para comprobar los tiempos de respuesta

de la red de internet se instaló en el celular un programa que permite enviar

y recibir paquetes de datos de prueba para comprobar la conexión. Se

obtuvieron los siguientes resultados. (Figura 45).

61

Figura 45. Comunicación entre el celular y la red domótica vía internet

Como podemos observar desde el dispositivo móvil se tiene tiempo de envío

y recepción de datos desde la red domótica vía internet total de 9016 ms,

este tiempo es el retraso es el que se puede observar en la lectura de

sensores y accionamiento actuadores del sistema. Este tiempo puede variar

dependiendo de la calidad y velocidad de la señal de internet con la que

cuente el dispositivo desde donde se acceda remotamente al sistema.

Al realizar las pruebas de los escenarios pudimos observar que el

accionamiento de los elementos relacionados a cada escena se realiza sin

inconvenientes, pero se puede también constatar los tiempos de retraso en

la culminación de la tarea ordenada desde la aplicación móvil.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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CONCLUSIONES

Con la implementación del sistema domótico se cumplieron con las

características principales de este tipo de sistemas de control, debido a que

se mejoró la eficiencia de algunas de las tareas que se realizan dentro del

hogar, se mejoró el consumo energético con el control adecuado de las

luces, se mejoró el confort del usuario con la programación de diferentes

escenas y por último se buscó implementar herramientas como son la

aplicación móvil para que el usuario pueda tener control sobre algunas

tareas de su casa vía internet sin la necesidad de estar presente.

Para la implementación adecuada del sistema se realizaron los estudios

referentes a los espacios físicos que tenía la casa, además de la factibilidad

de implementación del sistema.

Los estudios de iluminación que se realizaron permitieron determinar las

luminarias adecuadas para la implementación del presente proyecto,

además de indicar las áreas de la casa donde mayor control se necesitaba

debido al consumo que se puede dar en las mismas, enfocando el sistema

de control a estas áreas críticas.

La implementación del sistema ha demostrado que su ampliación es factible,

lo que ofrece al usuario la capacidad de implementar nuevos elementos ya

sean sensores o actuadores en un futuro, y esto se debe a la utilización de

plataformas con software y hardware libre como son Arduino y Raspberry.

La utilización de plataformas de software y hardware libre también tienen un

impacto importante en el presupuesto para la implementación del sistema

debido a que no se debe considerar costos por uso de software

especializado.

Las pruebas realizadas sobre los tiempos de respuesta de los sensores y

actuadores demostraron que el sistema puede funcionar en tiempo real

siempre y cuando el usuario este dentro de la red de área local.

Los tiempos de respuesta de los dispositivos también demostraron que si el

usuario desea acceder de manera remota al sistema siempre existirá un

pequeño retraso en la recepción de datos de sensores y en el activación de

los actuadores, estos tiempos de retraso dependerán de la velocidad y

calidad de internet con la que se cuente fuera de la red local.

Una de las consideraciones necesarias para la implementación de los

sistemas domóticos es conocer el lugar donde se instalaran los equipos,

además de las características principales de los mismos, sobre todo como

en este caso, si es necesario acceder a ellos vía WiFi o de manera

inalámbrica ya que cada dispositivo de comunicación tiene rangos máximos

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de conexión, y ciertas características del entorno pueden disminuir la señal

de transmisión.

La implementación de sistemas domóticos como el que se desarrolló en el

presente proyecto, ofrece alternativas al mercado ecuatoriano en esta área

de la tecnología.

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RECOMENDACIONES

Se recomienda utilizar el presente proyecto como guía para el desarrollo de

nuevas aplicaciones domóticas o para la investigación de las mismas.

Se recomienda poseer flexibilidad en la aplicación ya que en el momento

que el usuario desee incrementar otra cámara, sensor o actuador en este

caso debería llamar al ingeniero para poder realizar la programación en App

Inventor y poder añadir dispositivos a la misma.

Se recomienda flexibilidad en la plataforma para teléfonos inteligentes ya

que si el usuario desee comprar un Iphone la aplicación no serviría ya que

este ocupa otro sistema operativo que es el IOs.

Se recomienda realizar trabajos afines al desarrollo de aplicaciones que se

adapten a diferentes plataformas de control, debido a que es uno de los

aspectos poco desarrollados en la actualidad.

Se recomiendo realizar y apoyar el desarrollo de sistemas domóticos, debido

a que es uno de los ámbitos con mayor crecimiento a nivel mundial y con

proyección a corto plazo para estar presente en el mercado de consumo.

Si se desea desarrollar un proyecto similar el presentado, es necesario

mencionar que cada proyecto debe tener sus bases en estudios y cálculos

necesarios para la implementación y que el trabajo presentado fue diseñado

e implementado para operar con las características indicadas.

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