Aplicación de una red zigbee en la sala de reuniones del edificio administrativo

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR SEDE SANTO DOMINGO ESCUELA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN

Disertación de Grado Previa la obtención del título de Ingeniera en Sistemas y Computación

APLICACIÓN DE UNA RED ZIGBEE EN LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO

AUTORES: KATHERINE ANABEL CAMPOVERDE SÁNCHEZ RUTH MIRELLA JARAMILLO PINTADO

DIRECTOR: MS. RODOLFO SIRILO CÓRDOVA GÁLVEZ

SANTO DOMINGO- ECUADOR, 2012

ii

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR SEDE SANTO DOMINGO APROBACIÓN DE LA DISERTACION DE GRADO

APLICACIÓN DE UNA RED ZIGBEE EN LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO AUTORES: KATHERINE ANABEL CAMPOVERDE SÁNCHEZ RUTH MIRELLA JARAMILLO PINTADO

TRIBUNAL

MS. RODOLFO SIRILO CÓRDOVA GÁLVEZ

ING. RENATO PATRICIO ERAZO RIVERA

MS. MILTON TEMÍSTOCLES ANDRADE SALAZAR

Santo Domingo, Marzo de 2012

iii

DEDICATORIA Dedicado a nuestros padres y familiares por el apoyo moral brindado a lo largo de toda nuestra carrera y en especial en este momento crucial de culminación de la misma, además a nuestros guías académicos por los conocimientos compartidos.

iv

AGRADECIMIENTOS A Dios nuestras sinceras gratitudes y a nuestras familias, por la paciencia, comprensiรณn y desprendimiento, a nuestro director de tesis Ms. Rodolfo Cรณrdova por su tiempo, dedicaciรณn y apoyo desde el inicio de la disertaciรณn. A cada uno de las personas que conforman la universidad que de una u otra manera contribuyeron y facilitaron la realizaciรณn del proyecto.

v

RESUMEN La presente investigación es un proyecto interno y de servicio que tiene como finalidad la implementación de una red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, surgió con el objetivo de desarrollar una aplicación que implemente tecnología ZigBee en la sala de reuniones, con el propósito de mejorar la infraestructura de la misma con respecto a las luminarias y el monitoreo de temperatura ambiente, contribuyendo de esta manera al mejor desenvolvimiento de los usuarios durante las reuniones.

ZigBee cuenta con la certificación ZigBee Smart Energy, un estándar líder en el mundo de los productos interoperables que supervisan, controlan, informan y automatizan la entrega y uso de energía y agua, por ello la tecnología ZigBee al igual que sus dispositivos, trabajan en bajas tasas de transferencia de datos y bajo consumo de energía, permitiendo el ahorro energético y reduciendo la necesidad de instalación de nuevas centrales de energía eléctrica, colaborando con la protección del medio ambiente.

La aplicación de la red ZigBee, controla las luminarias de la sala de reuniones, la intensidad de las luces y proporciona el monitoreo de temperatura de la sala. La red ZigBee está constituida por un dispositivo transmisor, que proporciona la interfaz al usuario de las opciones del control de iluminación y monitoreo de temperatura, y el dispositivo receptor que ejecuta los requerimientos del usuario.

La red ZigBee brinda un servicio de calidad, una sala confortable y es de gran utilidad para mejorar el desarrollo de las reuniones y exposiciones que se realizan en la sala, evita distracciones por el control de la iluminación, contribuyendo en la concentración de los usuarios, además proporciona el monitoreo de temperatura que permite detectar el calor generado en la sala y tomar decisiones en base a los resultados.

vi

ABSTRACT The present research is an internal and service project that aims to implement a ZigBee network in the meeting room of the administrative building of the PUCE SD, emerged with the aim of developing an application that implements ZigBee technology into the meeting room with the purpose of improving the infrastructure of the same, with respect to lighting and temperature monitoring, thus contributing to better performance of users during the meetings.

ZigBee is certified by ZigBee Smart Energy, a leading global standard for interoperable products that monitor, control, report, and automate delivery and use of energy and water, by this, the ZigBee technology like their devices, working at low data transfer rates and low power consumption, allowing energy saving and reducing the need for installation of new power plants, contributing to the protection of the environment.

The ZigBee network application controls the lights of the meeting room, the intensity of light and provides temperature monitoring of the room. The ZigBee network consists of a transmitter device, which provides the user interface of the options in light control and temperature monitoring, and the receiving device that executes the user's requirements.

The ZigBee network provides quality service, comfortable room and is very useful to enhance the development of meetings and exhibitions held in the room, avoid distractions by the control of lighting, contributing to the concentration of users, also provides temperature monitoring that can detect the heat generated in the room and make decisions based on the results.

vii

ÍNDICE DE CONTENIDOS Pág.

DEDICATORIA ...................................................................................................................... iii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................ iv RESUMEN .............................................................................................................................. v ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN .................................................................................. 18 I MARCO TEÓRICO ............................................................................................................. 31 1.1.

REDES INALÁMBRICAS ........................................................................................... 31

1.1.1.

Tipos de Redes Inalámbricas ................................................................................. 31

1.1.1.1.

Redes de Área Corporal Inalámbrica - WBAN ..................................................... 32

1.1.1.2.

Redes de Área Personal Inalámbrica - WPAN .................................................... 32

1.1.1.3.

Redes de Área Local Inalámbrica – WLAN ......................................................... 33

1.1.1.4.

Redes de Área Metropolitana Inalámbrica – WMAN ........................................... 34

1.1.1.5.

Redes de Área Extensa Inalámbrica – WWAN .................................................... 34

1.2.

ZIGBEE ...................................................................................................................... 36

1.2.1.

Introducción ............................................................................................................ 36

1.2.2.

Estándar ZigBee ..................................................................................................... 36

1.2.3.

Estándar IEEE 802.15.4 ......................................................................................... 37

1.2.4.

ZigBee e IEEE 802.15.4 ......................................................................................... 37

1.2.4.1.

1.2.5.

ZigBee/IEEE 802.15.4 – Características Generales ............................................ 38 Funciones del estándar ZigBee .............................................................................. 39

1.2.5.1.

Búsqueda ............................................................................................................ 39

1.2.5.2.

Creación de una red PAN ................................................................................... 39

1.2.5.3.

Descubrimiento de dispositivos ........................................................................... 39

1.2.5.4.

Descubrimiento de servicio ................................................................................. 40

1.2.5.5.

Unión .................................................................................................................. 40

1.2.5.6.

Asociación y disociación de dispositivos ............................................................. 40

1.2.5.7.

Configuración de un nuevo dispositivo ................................................................ 40

1.2.5.8.

Direccionamiento ................................................................................................ 41

1.2.5.9.

Sincronización en una red ................................................................................... 41

1.2.5.10.

Seguridad............................................................................................................ 41

1.2.5.11.

Asignación de ruta .............................................................................................. 41

1.2.6.

Tipos de dispositivos .............................................................................................. 41

viii

1.2.7.

Roles de los dispositivos......................................................................................... 42

1.2.8.

Topologías de la red ZigBee ................................................................................... 42

1.2.8.1.

Topología de Estrella .......................................................................................... 43

1.2.8.2.

Topología punto a punto ..................................................................................... 43

1.2.8.2.1.

Topología de Malla .......................................................................................... 44

1.2.8.2.2.

Topología de Árbol .......................................................................................... 44

1.2.9.

Modos de operación de la Red ZigBee ................................................................... 45

1.2.9.1.

Modo Transparente ............................................................................................. 45

1.2.9.2.

Modo de operación API ....................................................................................... 45

1.2.10.

Arquitectura de ZigBee....................................................................................... 46

1.2.10.1.

Capa Física ......................................................................................................... 46

1.2.10.2.

Capa MAC .......................................................................................................... 48

1.2.10.2.1.

CSMA-CA ........................................................................................................ 48

1.2.10.2.2.

Formato de trama beacon de MAC .................................................................. 49

1.2.10.2.3.

Formato de trama de datos MAC ..................................................................... 49

1.2.10.2.4.

Formato de trama de confirmación MAC ......................................................... 50

1.2.10.2.5.

Formato de trama de comando MAC ............................................................... 50

1.2.10.3.

1.2.10.3.1.

1.2.10.4.

Capa de Red ....................................................................................................... 51 Mecanismos de comunicación ......................................................................... 51 Capa de Aplicación ............................................................................................. 53

1.2.10.4.1.

El Framework de Aplicación ............................................................................ 54

1.2.10.4.2.

Objetos de Dispositivo ZigBee ......................................................................... 55

1.2.10.4.3.

La subcapa de Soporte de Aplicaciones .......................................................... 55

1.2.10.5.

Seguridad............................................................................................................ 56

1.2.11.

Aplicaciones de ZigBee ....................................................................................... 56

1.2.11.1.

ZigBee Building Automation ................................................................................ 57

1.2.11.2.

ZigBee Remote Control ....................................................................................... 57

1.2.11.3.

ZigBee Smart Energy .......................................................................................... 58

1.2.11.4.

ZigBee Health Care ............................................................................................. 58

1.2.11.5.

ZigBee Home Automation ................................................................................... 58

1.2.11.6.

ZigBee Input Device ............................................................................................ 59

1.2.11.7.

ZigBee Retail Services ........................................................................................ 59

1.2.11.8.

ZigBee Telecom Services ................................................................................... 59

1.2.11.9.

ZigBee 3D Sync .................................................................................................. 60

ix

1.3.

DOMÓTICA ................................................................................................................ 60

1.3.1.

Definición ................................................................................................................ 60

1.3.2.

Aplicaciones ........................................................................................................... 61

1.3.2.1.

Gestión de energía .............................................................................................. 61

1.3.2.2.

Confort ................................................................................................................ 61

1.3.2.3.

Seguridad............................................................................................................ 61

1.3.2.4.

Comunicaciones.................................................................................................. 62

1.3.3.

Dispositivos ............................................................................................................ 62

1.3.3.1.

Controlador ......................................................................................................... 63

1.3.3.2.

Actuador.............................................................................................................. 63

1.3.3.3.

Sensor ................................................................................................................ 63

1.3.3.4.

Bus...................................................................................................................... 63

1.3.3.5.

Interfaces ............................................................................................................ 63

1.3.4.

Arquitectura del sistema ......................................................................................... 64

1.3.4.1.

Centralizado ........................................................................................................ 64

1.3.4.2.

Descentralizada .................................................................................................. 64

1.3.4.3.

Distribuida ........................................................................................................... 65

1.3.4.4.

Hibrido / Mixta ..................................................................................................... 65

1.3.5.

Medios de transmisión ............................................................................................ 66

1.3.6.

Protocolos .............................................................................................................. 66

1.3.7.

Beneficios ............................................................................................................... 67

1.4.

ELECTRÓNICA.......................................................................................................... 68

1.4.1.

Electrónica analógica.............................................................................................. 68

1.4.2.

Electrónica Digital ................................................................................................... 69

1.4.3.

Sistema Electrónico ................................................................................................ 70

1.4.4.

Componentes Electrónicos ..................................................................................... 70

1.4.4.1.

Resistencias ........................................................................................................ 70

1.4.4.1.1.

Resistencias fijas ............................................................................................. 71

1.4.4.1.2.

Resistencias variables ..................................................................................... 71

1.4.4.1.3.

Resistencias especiales .................................................................................. 71

1.4.4.2.

Condensadores o capacitores ............................................................................. 71

1.4.4.3.

Bobinas o inductancias ....................................................................................... 72

1.4.4.4.

Diodos ................................................................................................................. 72

1.4.4.5.

Transistores ........................................................................................................ 73

x

1.4.4.5.1.

Triac ................................................................................................................ 74

1.4.4.5.2.

Fototransistor................................................................................................... 74

1.4.4.6.

Microcontrolador ................................................................................................. 74

1.4.4.7.

Pulsador .............................................................................................................. 75

1.4.4.8.

Osciladores ......................................................................................................... 76

1.4.4.9.

Optoacopladores ................................................................................................. 77

1.4.4.10.

Pantalla LCD ....................................................................................................... 77

1.4.4.11.

Reguladores de voltaje........................................................................................ 78

II METODOLOGÍA ................................................................................................................ 79 2.1.

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 79

2.2.

TIPOS, MÉTODOS Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN ............................................ 79

2.2.1.

Tipos de Investigación ............................................................................................ 79

2.2.1.1.

Investigación Bibliográfica ................................................................................... 79

2.2.1.2.

Investigación Aplicada......................................................................................... 80

2.2.2.

Métodos de Investigación ....................................................................................... 80

2.2.2.1.

Método experimental ........................................................................................... 80

2.2.2.2.

Método Analítico y Sintético ................................................................................ 81

2.2.3.

Fuentes y Técnicas de Investigación ...................................................................... 81

2.2.3.1.

Fuentes primarias ............................................................................................... 81

2.2.3.1.1.

Encuesta ......................................................................................................... 81

2.2.3.1.1.1.

Determinación de la Población y Tamaño de la Muestra .............................. 82

2.2.3.1.1.1.1.

Población y Características .......................................................................... 82

2.2.3.1.1.1.2.

Tamaño de la Muestra ................................................................................. 82

2.2.3.1.2.

2.2.3.2.

Fotografía ........................................................................................................ 83 Fuentes Secundarias .......................................................................................... 83

2.2.3.2.1.

Libros .............................................................................................................. 84

2.2.3.2.2.

Internet ............................................................................................................ 84

2.2.3.3.

Técnicas de investigación ................................................................................... 85

2.2.3.3.1.

Observación .................................................................................................... 85

2.2.3.3.2.

Visitas .............................................................................................................. 85

2.2.3.3.3.

Encuesta ......................................................................................................... 85

2.2.4.

Metodología de diseño de redes inalámbricas de sensores .................................... 86

2.2.4.1.

Recopilación de los requisitos ............................................................................. 86

2.2.4.2.

Análisis ............................................................................................................... 87

xi

2.2.4.3.

Diseño de la solución .......................................................................................... 87

2.2.4.4.

Pila de protocolos y diseño de aplicaciones ........................................................ 88

2.2.4.5.

Desarrollo de código ........................................................................................... 88

2.2.4.6.

Implementación y Pruebas ................................................................................. 89

III RESULTADOS Y DISCUCIÓN ......................................................................................... 90 3.1. ENCUESTA DIRIGIDA A LOS USUARIOS DE LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD ................................................................... 90 3.1.1.

Determinación de la Población ............................................................................... 90

3.1.2.

Diseño de la Encuesta ............................................................................................ 91

3.1.3.

Aplicación de la Encuesta ....................................................................................... 91

3.1.4.

Tabulación de los Datos ......................................................................................... 91

3.1.5.

Discusión del Resultado de la Encuesta ............................................................... 106

3.2. INVESTIGACIÓN DE LA TECNOLOGÍA ZIGBEE APLICADA A LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD ................................... 106 3.2.1. Informe de investigación de la tecnología ZigBee aplicada en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD........................................................................... 107 3.2.2.

Discusión del Resultado ....................................................................................... 108

3.3. INVESTIGACION Y SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS A SER UTILIZADOS EN LA RED ZIGBEE................................................................................................................. 108 3.3.1.

Investigación y Selección de los Dispositivos ....................................................... 108

3.3.1.1.

Kits de desarrollo ZigBee .................................................................................. 108

3.3.1.2.

Microcontroladores............................................................................................ 111

3.3.1.3.

Sensores de Temperatura ................................................................................. 113

3.3.1.4.

Sensores de Movimiento ................................................................................... 114

3.3.1.5.

Sensor de Luz ................................................................................................... 116

3.3.1.6.

Display Cristal Líquido 16 x 4 ............................................................................ 116

3.3.1.7.

Regulador de voltaje 7805 ................................................................................ 117

3.3.1.8.

Moc3011 ........................................................................................................... 118

3.3.1.9.

Resistencias ...................................................................................................... 118

3.3.2.

Discusión del Resultado ....................................................................................... 119

3.4. CREACION DEL PROTOTIPO DE LA RED ZIGBEE Y PRUEBAS DE SU FUNCIONAMIENTO ........................................................................................................... 119 3.4.1.

Diseño de la Red ZigBee ...................................................................................... 119

3.4.1.1.

Descripción de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD 119

3.4.1.2.

Topología del diseño de la red ZigBee ............................................................. 120

3.4.1.3.

Velocidad de transmisión de la Red ZigBee ...................................................... 121

xii

3.4.1.4.

Modo de transmisión ......................................................................................... 121

3.4.1.5.

Modos de operación de los módulos XBee / XBee-Pro ..................................... 122

3.4.1.6.

Diagramas de bloques de los dispositivos transmisor y receptor ....................... 122

3.4.1.7.

Proteus ............................................................................................................. 124

3.4.1.7.1.

Diseño del circuito transmisor ........................................................................ 125

3.4.1.7.2.

Diseño del circuito receptor ........................................................................... 126

3.4.2.

Configuración y construcción del prototipo de la red ZigBee ................................. 127

3.4.2.1.

Introducción a la Configuración de los módulos ZigBee .................................... 127

3.4.2.1.1.

Módulos RF versión OEM XBee / XBee-Pro .................................................. 127

3.4.2.1.2.

Protocolo de comunicación RS232 ................................................................ 128

3.4.2.1.3.

Protocolo de comunicaciones USB ................................................................ 130

3.4.2.2.

Ensamblaje de los módulos ZigBee .................................................................. 131

3.4.2.3.

Software X-CTU ................................................................................................ 132

3.4.2.3.1.

PC Settings ................................................................................................... 133

3.4.2.3.2.

Range Test .................................................................................................... 134

3.4.2.3.3.

Modem Configuration .................................................................................... 135

3.4.2.3.4.

Terminal ........................................................................................................ 137

3.4.2.4.

Configuración del microcontrolador ATMEGA8 ................................................. 138

3.4.2.4.1.

Bascom-Avr© ................................................................................................ 138

3.4.2.4.2.

Código de configuración ................................................................................ 139

3.4.2.5.

Construcción del prototipo de la red .................................................................. 145

3.4.2.5.1.

Transmisor .................................................................................................... 146

3.4.2.5.2.

Receptor ........................................................................................................ 149

3.4.3.

Pruebas de Funcionamiento del Prototipo de la red ZigBee ................................. 151

3.4.4.

Discusión del Resultado ....................................................................................... 153

3.5. INSTALACIÓN Y PRUEBAS DEL FUNCIONAMIENTO DE LA RED ZIGBEE EN LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD.................... 154 3.5.1. Instalación de la red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD............................................................................................................................ 154 3.5.2.

Pruebas del funcionamiento de la red ZigBee....................................................... 156

3.5.3.

Discusión del Resultado ....................................................................................... 159

IV CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................. 160 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................... 162 GLOSARIO ......................................................................................................................... 167 ANEXOS............................................................................................................................. 171

xiii

LISTA DE FIGURAS Figura 1: Red Inalámbrica de Sensores (WSN). ................................................................... 19 Figura 2: ZigBee Smart Energy. ............................................................................................ 20 Figura 3: Tipos de redes inalámbricas. ................................................................................. 31 Figura 4: Capas del protocolo de red inalámbrica ZigBee. .................................................... 38 Figura 5: Roles de los dispositivos en el estándar IEEE 802.15.4 y ZigBee. ......................... 42 Figura 6: Topología de Estrella. ............................................................................................ 43 Figura 7: Topología de Malla. ............................................................................................... 44 Figura 8: Topología de árbol. ................................................................................................ 44 Figura 9: Arquitectura de ZigBee. ......................................................................................... 46 Figura 10: Estructura del paquete de la capa Física. ............................................................ 47 Figura 11: Formato de la trama beacon de MAC. ................................................................. 49 Figura 12: Formato de la trama de datos MAC. .................................................................... 50 Figura 13: Formato de la trama de confirmación MAC. ......................................................... 50 Figura 14: Formato de la trama de comandos MAC. ............................................................. 51 Figura 15: Mecanismo de comunicación Broadcast. ............................................................. 52 Figura 16: Mecanismo de comunicación Multicast. ............................................................... 52 Figura 17: Mecanismo de comunicación Unicast. ................................................................. 53 Figura 18: Comunicación de muchos a uno. ......................................................................... 53 Figura 19: Capa de Aplicación. ............................................................................................. 54 Figura 20: ZDO actúa como interfaz entre el Framework de aplicación y la subcapa APS. .. 55 Figura 21: Aplicaciones de ZigBee........................................................................................ 57 Figura 22: Aplicaciones Domóticas. ...................................................................................... 60 Figura 23: Ejemplos de dispositivos de un sistema Domótico. .............................................. 62 Figura 24: Arquitectura Domótica Centralizada. .................................................................... 64 Figura 25: Arquitectura Domótica Descentralizada. .............................................................. 64 Figura 26: Arquitectura Domótica Distribuida. ....................................................................... 65 Figura 27: Arquitectura Domótica Hibrida/Mixta. ................................................................... 66 Figura 28: Conversión de una señal acústica a analógica. ................................................... 69 Figura 29: Sistema Digital. .................................................................................................... 69 Figura 30: Diagrama de bloques de un sistema electrónico. ................................................. 70 Figura 31: Resistencias. ....................................................................................................... 71 Figura 32: Condensadores.................................................................................................... 72 Figura 33: Bobinas o inductancias. ....................................................................................... 72 Figura 34: Diodos. ................................................................................................................ 73 Figura 35: Transistores. ........................................................................................................ 73 Figura 36: Triac..................................................................................................................... 74 Figura 37: Fototransistor. ...................................................................................................... 74 Figura 38: Microcontroladores. ............................................................................................. 75 Figura 39: Pulsador. ............................................................................................................. 76 Figura 40: Osciladores. ......................................................................................................... 76 Figura 41: Optoacopladores.................................................................................................. 77

xiv

Figura 42: Pantalla LCD. ....................................................................................................... 78 Figura 43: Reguladores de voltaje. ....................................................................................... 78 Figura 44: Diagrama de pines del microcontrolador ATMEGA8. ......................................... 113 Figura 45: Display LCD de 16 x 4. ...................................................................................... 117 Figura 46: Regulador de voltaje 7805. ................................................................................ 117 Figura 47: Moc3011. ........................................................................................................... 118 Figura 48: Resistencias. ..................................................................................................... 119 Figura 49: Sala de reuniones – Planta alta. ........................................................................ 120 Figura 50: Sala de reuniones – Instalaciones eléctricas de luces........................................ 120 Figura 51: Topología punto a punto de la red ZigBee. ........................................................ 121 Figura 52: Diagrama del bloque del equipo transmisor. ...................................................... 123 Figura 53: Diagrama del bloque del equipo receptor. .......................................................... 124 Figura 54: Entorno de trabajo del Software PROTEUS ....................................................... 125 Figura 55: Diagrama del circuito transmisor. ....................................................................... 126 Figura 56: Diagrama del circuito receptor. .......................................................................... 127 Figura 57: Módulos XBee / XBee-PRo ................................................................................ 128 Figura 58: Placa de desarrollo RS232 (Izquierda), Placa de desarrollo USB (Derecha)...... 128 Figura 59: Placa de desarrollo RS232. ............................................................................... 129 Figura 60: Pines usados en el conector serial hembra RS232. ........................................... 129 Figura 61: Vista frontal de la placa de desarrollo USB. ....................................................... 131 Figura 62: Ensamblaje del módulo XBee a la tarjeta de interfaz RS232 y USB................... 132 Figura 63: Conexión de la PC con la placa de desarrollo mediante el cable USB. .............. 132 Figura 64: Puerto de comunicación Digi PKG-U. ................................................................ 133 Figura 65: Test para verificar la comunicación con el módulo ZigBee. ................................ 134 Figura 66: Test para verificar la comunicación con el módulo ZigBee. ................................ 135 Figura 67: Parámetros del firmware del módulo X-Bee ....................................................... 136 Figura 68: Secuencia para envío de comandos AT y parámetros de configuración ............ 137 Figura 69: Datos receptados y transmitidos ........................................................................ 138 Figura 70: Entorno de trabajo BASCOM AVR. .................................................................... 139 Figura 71: Menú del dispositivo transmisor. ........................................................................ 147 Figura 72: Botones del dispositivo transmisor. .................................................................... 147 Figura 73: Ensamblaje del dispositivo transmisor. .............................................................. 148 Figura 74: Dispositivo transmisor. ....................................................................................... 148 Figura 75: Switch del dispositivo transmisor. ...................................................................... 149 Figura 76: Circuito electrónico receptor .............................................................................. 149 Figura 77: Control de intensidad mediante el método de variación por fase. ...................... 150 Figura 78: Ensamblaje del dispositivo receptor. .................................................................. 150 Figura 79: Dispositivo Receptor. ......................................................................................... 151 Figura 80: Modo ON, luminaria encendida. Modo OFF, luminaria apagada. ....................... 152 Figura 81: Prueba de control de intensidad......................................................................... 152 Figura 82: Opción SENSOR establecido en modo ON........................................................ 153 Figura 83: Prueba de monitoreo de temperatura................................................................. 153 Figura 84: Instalación de los interruptores. ......................................................................... 154

xv

Figura 85: Instalaci贸n del receptor. ..................................................................................... 155 Figura 86: Instalaci贸n del transmisor. ................................................................................. 155 Figura 87: Luces encendidas y apagadas en la sala de reuniones. Imagen izquierda modo OFF, imagen derecha modo ON. ........................................................................................ 156

xvi

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Niveles de Impacto. ................................................................................................ 24 Tabla 2: Impacto Económico. ............................................................................................... 25 Tabla 3: Impacto Socio-Cultural. .......................................................................................... 26 Tabla 4: Impacto Tecnológico. ............................................................................................. 27 Tabla 5: Impacto Ambiental. ................................................................................................. 28 Tabla 6: Impacto General. .................................................................................................... 29 Tabla 7: Tipos de estándares WLAN. ................................................................................... 34 Tabla 8: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 1. .............................................. 92 Tabla 9: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 2. .............................................. 93 Tabla 10: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 2, opción Sí. ........................... 94 Tabla 11: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 3. ............................................ 95 Tabla 12: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 3, opción Sí. ........................... 96 Tabla 13: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 4. ............................................ 97 Tabla 14: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 4, opción Sí. ........................... 98 Tabla 15: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 5. ............................................ 99 Tabla 16: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 6. .......................................... 101 Tabla 17: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 7. .......................................... 102 Tabla 18: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 7, opción Sí. ......................... 103 Tabla 19: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 8. .......................................... 104 Tabla 20: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 8, opción Sí. ......................... 105 Tabla 21: Kits de desarrollo ZigBee. ................................................................................... 110 Tabla 22: Microcontroladores PIC y AVR. .......................................................................... 112 Tabla 23: Sensores de Temperatura en el mercado. .......................................................... 114 Tabla 24: Sensores de movimiento en el mercado. ............................................................ 115 Tabla 25: Sensores de Luz................................................................................................. 116 Tabla 26: Asignación de pines del puerto DB-9 de la placa de desarrollo RS-232. ............ 130 Tabla 27: Asignación de pines del puerto USB de la placa de desarrollo USB. .................. 131 Tabla 28: Configuración de direcciones para comunicación punto a punto entre el dispositivo base y el dispositivo remoto. ............................................................................................... 136 Tabla 29: Pines utilizados de los módulos XBee / XBee-Pro. ............................................. 146 Tabla 30: Pruebas realizadas en la sala de reuniones, sobre la opción de control de intensidad y la opción de temperatura. ............................................................................... 157 Tabla 31: Pruebas realizadas en la sala de reuniones del modo automático de la aplicación de la red ZigBee. ................................................................................................................ 158

xvii

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1: Representación porcentual de los datos de la pregunta 1. .................................. 92 Gráfico 2: Representación porcentual de los datos de la pregunta 2. .................................. 94 Gráfico 3: Representación porcentual de los datos de la pregunta 3. .................................. 96 Gráfico 4: Representación porcentual de los datos de la pregunta 4. .................................. 98 Gráfico 5: Representación porcentual de los datos de la pregunta 5. ................................ 100 Gráfico 6: Representación porcentual de los datos de la pregunta 6. ................................ 101 Gráfico 7: Representación porcentual de los datos de la pregunta 7. ................................ 103 Gráfico 8: Representación porcentual de los datos de la pregunta 8. ................................ 105

18

ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN Presentación inicial En la actualidad las tecnologías inalámbricas se han convertido en un recurso importante para la sociedad en general, es común encontrar sistemas inalámbricos implementados en el lugar de trabajo, en centros comerciales, en instituciones educativas, en hogares, etc.

Las tecnologías inalámbricas al proporcionar comunicación mediante ondas de radio frecuencia, permiten acceder a los lugares más remotos existentes, brindando fácil portabilidad de los dispositivos, conectividad, movilidad, y comunicación a los usuarios en cualquier lugar del mundo y en todo momento.

De igual forma, es frecuente encontrar tecnología cableada implementada en diferentes sectores, sin embargo los sistemas cableados a diferencia de la tecnología inalámbrica, no proporcionan movilidad al usuario, ni portabilidad de los dispositivos, y su instalación en áreas extensas es realmente costosa.

Las características ofrecidas por las redes inalámbricas anteriormente mencionadas, han permitido que sean utilizadas en muchas áreas tales como: la informática, la industria, la televisión, la telefonía, la seguridad, la domótica, etc. Existen varias tecnologías inalámbricas disponibles en el mercado entre ellas: WiFi1, WiMax2, Bluetooth3, ZigBee4, etc., que son utilizadas de acuerdo a los fines de cada aplicación.

La tecnología inalámbrica ZigBee fue creada con el fin de trabajar con dispositivos que no requieren un mayor ancho de banda para transmitir sus datos, de bajo consumo de potencia, es decir necesitan de muy poca energía para funcionar permitiendo que sus baterías duren hasta 5 años, de fácil configuración, económico y de gran alcance en comparación con otras tecnologías como Bluetooth.

1

Siglas en inglés de “Wireless Fidelity”: Fidelidad inalámbrica. Es un conjunto de redes que no requieren cables basadas en el estándar IEEE 802.11.

2 Siglas en inglés de Worldwide Interoperability for Microwave Access: Interoperabilidad mundial para acceso por microondas. Es la base para el desarrollo de redes metropolitanas con acceso a internet.

3 Tecnología de comunicación inalámbrica basado en el estándar IEEE 802.15.1 para distancias cortas entre dispositivos como computadoras, teléfonos celulares, PDA, etc.

4 Tecnología de comunicación inalámbrica basada en el estándar IEEE 802.15.4 para redes de bajo tasa de envió de datos y maximización de la visa útil de las baterías.

19

Su demanda ha abarcado en gran parte las redes de sensores (WSN5), por esta razón es fuertemente utilizada en Domótica (Hogares) e Inmótica (Edificios). La Figura 1 muestra los componentes que integran una red de sensores típica, entre los cuales destacan: los sensores, que obtienen del medio la información y la convierten en señales eléctricas, estos pueden ser sensores de luz, temperatura, humedad, etc.; los nodos o módulos ZigBee que actúan como routers o coordinadores de la red tomando los datos del sensor y enviando la información a la estación de trabajo base; el dispositivo Gateway utilizado para la interconexión entre la red de sensores y una red de datos (TCP/IP); y la estación de trabajo base que funciona como recolector de datos basado en un ordenador común o en un sistema embebido.

Figura 1: Red Inalámbrica de Sensores (WSN).

Fuente: http://reillytechnology.com/home/article/1

5

Una Red de Sensores Inalámbrica (WSN), es una red de comunicaciones de dispositivos inalámbricos de baja potencia que recopilan y presentan los datos de los sensores.

20

Algunos ejemplos de aplicaciones de red de sensores son: sistemas de automatización de luces, sistemas de control de temperatura, sistemas de automatización de persianas, purificadores de agua potable, sistemas de localización en tiempo real de personas, detectores de caídas, en termostatos eléctricos, dispositivos médicos, etc.

La característica más importante de la tecnología ZigBee es que cuenta con la certificación ZigBee Smart Energy, un estándar líder en el mundo de los productos interoperables que supervisan, controlan, informan y automatizan la entrega y uso de energía y agua. Los dispositivos ZigBee mediante el ahorro energético, economizan dinero y ayudan al medio ambiente, ya que reducen la necesidad de instalación de nuevas centrales de energía eléctrica. Ver Figura 2.

Figura 2: ZigBee Smart Energy.

Fuente: www.zigbee.org

21

En la actualidad ZigBee a avanzando rápidamente en la creación de nuevas soluciones inalámbricas de baja potencia, tal es así que el 22 de Marzo del 2011, La ZigBee ® Alliance, un ecosistema global de organizaciones que crea soluciones inalámbricas para su uso en la gestión de la energía, aplicaciones comerciales y de consumo residencial, anunció la publicación del Documento de Requisitos técnicos (TDR) y el Perfil Público de aplicación del nuevo protocolo de ZigBee denominado ZigBee Smart Energy versión 2.0, que funcionará sobre cualquier tipo de red, incluyendo IEEE 802.15.4, 802.11 (Wi-Fi), 802.3 (Ethernet), y diversos estándares PLC6. Además, proporcionará compatibilidad con IPv6, esta nueva iniciativa facilitará a los desarrolladores e integradores de redes ZigBee la agregación de características adicionales y funciones que incluirán la compatibilidad con IPv6. Ver anexo 1.

La tecnología ZigBee a pesar de no ser una tecnología nueva, no ha sido explotada totalmente en nuestro país, existe una cantidad minúscula de proyectos o instituciones que recientemente la han implementado.

La Pontificia Universidad Católica del Ecuador Sede Santo Domingo cuenta con infraestructura edificada de manera tradicional en todos sus aspectos, por ello utiliza una estructura cableada para permitir la transmisión de energía eléctrica a cada una de las bombillas, interruptores y tomacorrientes que la conforman. Los usuarios que participan de las reuniones se sirven del sistema de iluminación manual disponible para realizar las diferentes actividades o tareas presentadas durante la reunión.

La “Aplicación de una red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD” automatizará el sistema de iluminación actual y proporcionará el monitoreo de la temperatura ambiente generado en el lugar, con el fin de conseguir un ahorro energético y brindar un entorno confortable a los usuarios en el desarrollo de las reuniones.

El trabajo de investigación realizado para automatizar la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, describe el uso de la tecnología inalámbrica ZigBee y otros dispositivos

electrónicos,

que

permitirán

controlar

los

niveles

de

intensidad,

encendido/apagado automático de las luminarias y monitorear la temperatura ambiente de la sala.

6

Siglas en ingles de Power Line Communications: Comunicaciones mediante Cable Eléctrico, es el estándar que ofrece servicios de banda ancha permitiendo la transmisión de datos a una velocidad de hasta 20 Mbps a través de la red eléctrica.

22

El presente documento está estructurado en tres secciones: 

Marco teórico, constituido por fundamentos teóricos que refuerza la investigación e introducen al tema.



Metodología, detalla los tipos, métodos y técnicas de investigación utilizados para lograr los resultados.



Resultados y discusión, presentan los resultados obtenidos en el proyecto.

Las necesidades y/o problemas identificados En la sala de reuniones se realizan comúnmente proyecciones, y dependiendo de la hora en que empiecen, se requiere de un usuario que encienda o apague las luces para conseguir la iluminación adecuada a la proyección, esta actividad provoca pérdida de tiempo, molestias y desconcentraciones durante el desarrollo de una reunión.

El espacio reducido y cerrado de la sala de reuniones puede generar aumento de temperatura (calor), para determinar este aumento no se cuenta con un medidor de temperatura, solo la simple percepción de los usuarios; con el objetivo de aplacar efectos del calor se debe encender el ventilador.

Al término de una reunión es necesario que un usuario se haga responsable de apagar las luminarias y en caso de olvido se incurre en gastos innecesarios de energía eléctrica y aumento del costo de la planilla de consumo.

Las soluciones y alternativas posibles Para cubrir las necesidades, se propone el uso de las tecnologías inalámbricas como una alternativa a las problemáticas encontradas. De acuerdo a ello se ha considerado la tecnología inalámbrica ZigBee como una solución óptima para resolver los problemas anteriormente mencionados. ZigBee basada en el estándar IEEE 802.15.47 proporciona comunicaciones seguras, con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de las baterías.

7

Estándar para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPANs).

23

Al utilizar ZigBee se semiautomatizará el control de la intensidad de las luces mediante un dispositivo remoto que regulará la intensidad de las luminarias de acuerdo a la cantidad de luz seleccionado por el usuario.

Para monitorear la temperatura se incorporará un sensor de temperatura que registrará los cambios en una pantalla LCD8.

Se automatizará el encendido o apagado de las luminarias mediante el uso de un sensor de movimiento y un sensor de luz que gestionarán las luces cuando realmente sea necesario.

Los beneficios esperados A corto plazo mediante la instalación y configuración de los dispositivos ZigBee y demás equipos electrónicos que conforman la red, se logrará brindar un ambiente con luminarias automatizadas y monitoreo de temperatura que proporcionará confort y un servicio de calidad propicio para el desarrollo de reuniones.

A mediano plazo, se conseguirá la adaptación y socialización de esta tecnología con los usuarios que participan en las reuniones.

A largo plazo, permitirá un ahorro económico en el consumo de energía eléctrica, gracias a la automatización de las luminarias y a la capacidad de ZigBee de extender la vida útil de los equipos que permiten que sus baterías duren hasta 5 años.

Beneficiarios Los usuarios de la sala de reuniones son los beneficiarios directos del proyecto, el beneficiario indirecto es el Área de Redes – CITIC de la PUCE SD.

Impactos Los impactos son los efectos esperados o generados en el desarrollo de un proyecto, pueden ser positivos o negativos, por ejemplo pueden producirse impactos económicos, sociales, ambientales, educativos, culturales, etc.

8

Siglas en ingles de Liquid Crystal Display: pantalla de cristal líquido formado por pixeles frente una fuente de luz.

24

El análisis de impactos se lo puede efectuar de manera prospectiva y retrospectiva, se lo realiza de forma prospectiva cuando el proyecto no ha sido ejecutado (¿Cómo beneficiará el proyecto?), y se lo realiza de manera retrospectiva cuando el proyecto ha sido ejecutado o puesto en práctica (¿Cómo benefició el proyecto?). Con el fin de realizar un análisis adecuado de los mismos se utiliza como base una matriz de impactos que permite analizar el impacto producido por el proyecto en una determinada área. La Tabla 1 presenta la matriz de impactos utilizada en el análisis, se encuentra constituida por una columna que califica el impacto de acuerdo a un valor numérico conocido como nivel de impacto, y por otra columna que asigna un nombre descriptivo referente a cada nivel del impacto.

Nivel del impacto

Descripción de nivel de impacto

-3

Impacto alto negativo

-2

Impacto medio negativo

-1

Impacto bajo negativo

0

No hay impacto

1

Impacto bajo positivo

2

Impacto medio positivo

3

Impacto alto positivo

Tabla 1: Niveles de Impacto.

Fuente: Elaborado por los autores.

Los impactos producidos en el presente proyecto son de tipo retrospectivo, y se detallan a continuación en las tablas de impactos. Cada tabla está constituida por indicadores de impactos que describen las áreas sobre las cuales el proyecto ha tenido mayor trascendencia, y por un valor numérico que corresponde a cada nivel de impacto. Por cada área se realiza el promedio de los niveles de impacto utilizando la siguiente fórmula:

25

El resultado obtenido se redondea al entero más cercano y a continuación de ello se realiza su respectivo análisis.

Impacto Económico IMPACTO ECONÓMICO NIVELES DE IMPACTO -3

-2

-1

0

1

2

3

INDICADOR 

Disminución en los costos por consumo de energía.



X

Menor costo de la aplicación desarrollada con X

tecnología ZigBee en relación a Bluetooth y WiFi. TOTAL

6 Ʃ

=

6

Nivel de Impacto Económico = Alto Positivo

Tabla 2: Impacto Económico.

Fuente: Elaborado por los autores.

Análisis: 

La incorporación en el proyecto de equipos ZigBee de baja potencia permitirá a largo plazo reducir los costos en la planilla de consumo eléctrico.



Los dispositivos con la tecnología ZigBee son mucho más económicos en relación a los dispositivos Bluetooth y WiFi, además Bluetooth y WiFi requieren mayor potencia para poder trabajar, mientras que la tecnología ZigBee no.

26

Impacto Socio-Cultural IMPACTO SOCIO-CULTURAL NIVELES DE IMPACTO INDICADOR 

Socialización aplicación domótica.



Proyección de la PUCE SD.



Calidad de servicio en la sala de reuniones.

-3

-2

-1

0

1

2

3

X X X

TOTAL

1 Ʃ

2

3

= 6

Nivel de Impacto Socio-Cultural = Medio Positivo

Tabla 3: Impacto Socio-Cultural.

Fuente: Elaborado por los autores.

Análisis: 

La implementación de un sistema de automatización en la sala de reuniones ayuda a los usuarios a familiarizarse con esta tecnología e inculca la automatización como una cultura tecnológica a aplicarse en los hogares o ambientes de trabajo.



La implementación de nuevas tecnologías en la PUCE SD permiten a nivel regional consolidar su posición como una de las instituciones pioneras en la implementación de este tipo de tecnologías.



La PUCE SD ofrece a los ocupantes de la sala de reuniones un servicio de calidad que permite el desarrollo de automatizado y confortable.

sus actividades en un ambiente

27

Impacto Tecnológico IMPACTO TECNOLÓGICO NIVELES DE IMPACTO INDICADOR 

Proyección

del

estándar

-3

-2

-1

0

1

2

3

ZigBee/IEEE

X

802.15.4 

Investigación

sobre

nuevas

tecnologías

inalámbricas 

X

Tecnologías inalámbricas en aplicaciones

X

domóticas TOTAL

1 Ʃ

6 =

7

Nivel de Impacto Tecnológico = Medio Positivo

Tabla 4: Impacto Tecnológico.

Fuente: Elaborado por los autores.

Análisis: 

La aplicación de tecnologías inalámbricas ZigBee generan un impacto tecnológico en cuanto a la proyección del estándar, ya que mediante la aplicación desarrollada se da a conocer los beneficios y facilidades proporcionados por ZigBee.



El proyecto también incentiva la investigación de nuevas tecnologías inalámbricas que permitirán el análisis, diseño y desarrollo de aplicaciones por parte de los estudiantes y la sociedad en general.



ZigBee en comparación con otras tecnologías inalámbricas causa un gran impacto tecnológico, ya que se adapta fácilmente en aplicaciones domóticas

28

gracias a sus características de interoperabilidad, seguridad, fiabilidad de la red, y bajo consumo de energía.

Impacto Ambiental IMPACTO AMBIENTAL NIVELES DE IMPACTO INDICADOR 

-3

-2

-1

0

1

2

3 X

Ahorro energético TOTAL

3 Ʃ

=

3

Nivel de Impacto Ambiental = Alto Positivo

Tabla 5: Impacto Ambiental.

Fuente: Elaborado por los autores.

Análisis: 

Los productos ZigBee caracterizados como ZigBee Smart Energy están certificados como una solución inalámbrica de eficiencia en gestión energética que reducen el impacto ambiental por el consumo de energía, además ayudan a mejorar el cumplimiento de la normativa mundial sobre el ahorro energético.

29

Impacto General IMPACTO GENERAL NIVELES DE IMPACTO INDICADOR

-3

-2

-1

0

1

2



Económico



Socio-cultural

X



Tecnológico

X



Ambiental

3 X

X TOTAL Ʃ

4

6

=

10

Nivel de Impacto General = Alto Positivo

Tabla 6: Impacto General.

Fuente: Elaborado por los autores.

Análisis: La aplicación de una red ZigBee en la sala de reuniones de la PUCE SD contribuye positivamente al progreso económico, socio-cultural y tecnológico de la misma, ayuda de manera positiva a la preservación del medio ambiente, y genera un aporte a la sociedad en general que acuda al presente trabajo como base de futuras investigaciones.

Objetivo General Implementar una red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo, ver Anexo 13.

Objetivos Específicos 1. Investigar la tecnología inalámbrica ZigBee.

30

2. Investigar y seleccionar los dispositivos adecuados para el desarrollo de la aplicación de la red ZigBee. 3. Realizar un prototipo de la red inalámbrica ZigBee y probar su funcionamiento en el control de luminarias y monitoreo de temperatura.

4. Instalar la red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD y realizar pruebas de su funcionamiento.

Marco Institucional El proyecto tendrá lugar en Ecuador, Provincia Santo Domingo de los Tsáchilas, Ciudad Santo Domingo, Pontificia Universidad Católica del Ecuador Sede Santo Domingo.

Actividades Para el desarrollo del proyecto y el cumplimiento de los objetivos, se realizaron actividades, bajo la titularidad de Ruth Jaramillo y Katherine Campoverde, con la guía del director de disertación de grado Ms. Rodolfo Córdova. Las actividades en su orden cronológico y de acuerdo a los objetivos específicos planteados, son las siguientes: 1.1. Investigación en internet y libros sobre la tecnología ZigBee. 1.2. Selección de la información relevante y elaboración del informe.

2.1. Investigación en internet sobre los dispositivos adecuados para el desarrollo de la red ZigBee. 2.2. Selección de los dispositivos.

3.1. Adquisición de equipo para la aplicación de la red ZigBee. 3.2. Construcción y configuración del prototipo de la red ZigBee. 3.3. Ejecución de pruebas del funcionamiento del prototipo.

4.1. Instalación de los dispositivos en la sala de reuniones.

4.2. Ejecución de pruebas del funcionamiento de la Red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

31

I MARCO TEÓRICO

1.1.

REDES INALÁMBRICAS

Las redes inalámbricas permiten conexiones entre dispositivos mediante radio frecuencia (RF) o emisiones de radiación infrarroja (IR), permitiendo la movilidad, escalabilidad, flexibilidad y portabilidad de los dispositivos dentro del área de conexión. Las redes inalámbricas son de fácil y rápida instalación en comparación con las redes LAN donde es necesario el tendido de cables.

Las redes inalámbricas son utilizadas como alternativa a las redes LAN o como una extensión de estas, tanto en la conexión de dispositivos en áreas menores como en la comunicación de dispositivos en sitios remotos.

1.1.1. Tipos de Redes Inalámbricas De acuerdo al radio de cobertura, la Figura 3 muestra los siguientes tipos de redes inalámbricas.

Figura 3: Tipos de redes inalámbricas.

Fuente: http://dspace.epn.edu.ec/bitstream/123456789/815/2/T10110CAP1.pdf

32

1.1.1.1.

Redes de Área Corporal Inalámbrica - WBAN

WBAN9 se basa en el estándar de comunicaciones inalámbricas IEEE10 802.15.6, que trabaja en la implementación de WBAN en dispositivos médicos y no médicos (deporte y entretenimiento). Los dispositivos a través de la red permiten controlar y monitorear internamente o externamente signos vitales del ser humano y realizar un seguimiento en línea del paciente; medir el rendimiento físico de las personas al hacer algún deporte, la captura de movimientos y parámetros de movimiento para los controles de juegos de PC. La señal alcanza distancias de entre 1 y 2 metros con una velocidad de entre 121.4 a 917.4 Kbps11 en la frecuencia libre de 2.4 GHz12.

1.1.1.2.

Redes de Área Personal Inalámbrica - WPAN

Las WPAN13 se dividen en subgrupos de trabajo con funciones y características específicas con el fin de crear un estándar bien definido. 

Grupo de trabajo IEEE 802.15.1: Se encargó de desarrollar conexiones que permiten la transmisión de datos y voz, entre equipos electrónicos, teléfonos celulares, PDAs, computadoras, periféricos y micrófonos. Es el estándar en el que se basa Bluetooth y alcanza una velocidad de hasta 720 Kbps en la banda de frecuencia 2.4 GHz.



Grupo de Trabajo IEEE 802.15.2: Se encargó de establecer mecanismos de coexistencia colaborativos y no colaborativos entre los sistemas inalámbricos aplicando bandas de frecuencia no licenciadas, el primero busca evitar colisiones mediante el intercambio constante

de información acerca del estado de la

transmisión y el segundo utiliza la técnica del censado para evitar colisiones, este grupo de trabajo también se encarga de cuantificar los efectos de la interferencia entre dispositivos WPAN y WLAN.

9

Siglas en inglés de Wireless Body Area Network, en español Redes de Área Corporal Inalámbrica.

Siglas en inglés de Institute of Electrical and Electronics Engineers, en español Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos.

11 Unidad de medida que se usa para calcular la velocidad de transferencia de información a través de una red, equivale a 1000 bits por segundo.

12 9 Es un múltiplo de la unidad de medida de frecuencia hercio (Hz) y equivale a 10 (1.000.000.000) Hz. 13 Siglas en inglés de Wireless Personal Area Network, en español redes de área personal inalámbrica.

10

33



Grupo de Trabajo IEEE 802.15.3: Se encarga de desarrollar nuevos estándares con la capacidad de transmitir datos de una manera rápida y eficiente con un diseño poco complejo y a un bajo costo en el cual los dispositivos consuman poca energía. De los estándares desarrollados se tiene UWB14 o IEEE 802.15.3ª, que transmite contenido multimedia a una velocidad de entre 110 Mbps en un rango de 10 metros y a una velocidad de 480 Mbps en distancias menores a 1 metro en la frecuencia de 7.5 GHz. Otro de los estándares es IEEE 802.15.3b que se centraliza en optimizar la implementación e interoperabilidad de la capa MAC15 a fin de que sea compatible con versiones anteriores.



Grupo de trabajo IEEE 802.15.4: Es el estándar que se caracteriza por ser un estándar flexible, de bajo costo y bajo consumo de energía, permitiendo la conexión entre dispositivos en un radio de 10 a 75 metros a velocidades que van desde los 20 a 250 Kbps en las frecuencias de 2.4 GHz, 915 MHz16 y 868 MHz.

1.1.1.3.

Redes de Área Local Inalámbrica – WLAN

WLAN17 son redes inalámbricas de banda ancha que en la actualidad se implementan tanto en medios públicos como privados ya que utilizan bandas de frecuencia libre que permiten comunicar dispositivos conectados inalámbricamente con otros conectados a una red cableada, convirtiéndose en una extensión de dicha red,

esta característica añade

movilidad, así como flexibilidad a la red, productividad para los usuarios que la utilizan y eficiencia en la transmisión de datos, voz y video.

La Tabla 7 muestra a continuación varios tipos de estándares utilizados en WLAN.

14

Siglas en inglés de ultra-wide-band, en español Banda Ultra Ancha.

Siglas en inglés de Médium Access Control, en español Control de Acceso al Medio 16 6 Es un múltiplo de la unidad de medida de frecuencia hercio (Hz) y equivale a 10 (1.000.000) Hz. 17 Siglas en inglés de Wireless Local Area network, en español Redes de Área Local Inalámbrica.

15

34

IEEE 802.11ª

Alcance

35 m.

Velocidad

Frecuencia

IEEE 802.11b

IEEE 802.11g

35 m.

35 m.

IEEE 802.11n

70 m.

Hasta 54 Mbps18 Hasta 11 Mbps Entre 11 a 54 Mbps Hasta 248 Mbps

5.7 GHz

2.4 GHz

2.4 GHz

2.4 y 5 GHz

Tabla 7: Tipos de estándares WLAN. Fuente: www.cisco.com

1.1.1.4.

Redes de Área Metropolitana Inalámbrica – WMAN

Una red WMAN19 es la unión de varias redes de área local inalámbricas interconectadas, las WMAN se basan en el estándar IEEE 802.16.20, tienen un alcance máximo de 50 kilómetros en puntos fijos y de 5 a 15 km en puntos móviles. WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)21 es la tecnología más representativa de las WMAN, que opera en frecuencias entre los 2 GHz y 66 GHz con licencia y sin licencia, a una velocidad de 75 Mbps utilizando topologías punto a multipunto y malla.

1.1.1.5.

Redes de Área Extensa Inalámbrica – WWAN

WWAN22 es el tipo de red inalámbrica que ofrece mayor alcance, se caracteriza principalmente por ser compatible con muchos sistemas de comunicación lo cual la convierte en la red que facilita la conexión global, es utilizada para brindar servicios de conexión y transmisión de datos incluido voz y video. Dentro de las WWAN se distinguen algunas 18

Unidad de medida que se usa para calcular la velocidad de transferencia de información a través de una red, Equivale a 1000000 bits por segundo.

19 Siglas en inglés de Wireless Metropolitan Area Network, en español Redes de Área Metropolitana Inalámbrica.

20 Nombre de un grupo de trabajo del comité IEEE 802 y el nombre se aplica igualmente a los trabajos publicados. Se trata de una especificación para las redes de acceso metropolitanas inalámbricas de banda ancha fijas (no móvil), en esencia recoge el estándar de facto WIMAX. 21 Siglas en inglés que significan: Interoperabilidad mundial de acceso de microondas 22 Siglas en inglés de Wireless Wide Area network, en español Redes de Área Extensa Inalámbrica.

35

generaciones de acuerdo a los avances realizados en seguridad y velocidad en la transmisión de datos, a continuación se describe cada generación: 

1G - AMPS23: Sistema que se caracterizó por ser tecnología análoga que transmitía sólo voz utilizando circuitos conmutados causando problemas de interferencia y baja seguridad.



2G - GSM24: Sistema que provee servicios de conexión a través de teléfonos celulares con computadoras, puede enviar y recibir e-mails, fax, navegación por internet, así como el servicio de mensajes cortos (SMS), dentro y fuera del país a través del roaming25 2.5G - GPRS26: Tecnología que permite la transferencia de archivos por medio de la conmutación de paquetes, en las redes celulares se utiliza para la conexión a internet, MMS (Servicios de mensajes multimedia), mensajería instantánea, servicios P2P (Peer to peer o red de pares) utilizando el protocolo IP, SMS a una velocidad máxima de 115 Kbps.



2.75G - EDGE27: Es el puente para el paso a la siguiente generación que se caracterizó por permitir la transferencia de datos basada en conmutación por paquetes (Packet Switched), en la conexión a Internet.



3G - UMTS28: Se caracteriza por brindar capacidades multimedia, ya que alcanza velocidades de hasta 2 Mbps permitiendo el acceso a internet y facilitando la transmisión de audio y video en tiempo real.



3.5G - HSDPA29: Esta generación se caracterizada por alcanzar una velocidad máxima de bajada de datos de hasta 14 Mbps mientras que la velocidad de subida se mantiene en 384 Kbps.

23

Siglas en ingles de Advanced mobile Phone System, en español Sistema Telefónico Móvil Avanzada.

24 Siglas en francés de Groupe Spécial Mobile, en español Sistema Global para las Comunicaciones Móviles.

25 El roaming es la capacidad de enviar y recibir llamadas en redes móviles fuera del área de servicio local de su compañía, incluso con la red de una empresa extranjera.

26 Siglas en inglés de General Packet Radio Services, en español Servicio General de Paquetes vía Radio.

27 Siglas en inglés de Enhanced Data GSM Envairoment, en español Entorno GSM de Datos Mejorado.

28 Siglas en inglés de Universal Mobile Telecommunications Service, en español Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles.

29 Siglas en inglés de High Speed Downlink Packet Access, en español acceso a descarga de paquetes de alta velocidad.

36



3.75G - HSUPA30: Implementa mejoras en la velocidad de subida de datos de hasta 5.76 Mbps.



4G: La última generación desarrollada se basa completamente en el protocolo IP para permitir la convergencia con las redes globales de transmisión de datos permitiendo velocidades entre 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps31 en reposo, manteniendo calidad de servicio entre redes punto a punto y seguridad al mínimo costo.

1.2.

ZIGBEE

1.2.1. Introducción El término "ZigBee” nace a partir del análisis realizado a la forma de comunicación de las abejas, que consiste en un modelo silencioso, constante y fiable durante la recogida de polen, asegurándoles alimento y supervivencia. Esta es una característica similar a la forma en cómo actúan las redes invisibles que se utilizan en las conexiones existentes en un entorno inalámbrico. ZigBee se refiere a un protocolo inalámbrico normalizado para la conexión de una Red de Área Personal Inalámbrico (WPAN).

Consecuencia de una ardua investigación realizada desde comienzos de 1998 por un grupo de más de 70 empresas sin ánimo de lucro, entre ellas Invensys, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips y Samsung; nace ZigBee Alliance con la tarea principal de definir el conjunto de protocolos que habilitarán la comunicación entre los dispositivos que adopten la tecnología, por ello trabajaron en un sistema estándar de comunicaciones, vía radio y bidireccional que pueda ser utilizado en la automatización de casas, edificios, en el control industrial, en periféricos de PC y sensores médicos.

1.2.2. Estándar ZigBee El estándar ZigBee permite la interoperabilidad entre dispositivos fabricados por compañías diferentes, actualmente representa un avance tecnológico dentro los sistemas inalámbricos enfocados en aplicaciones que requieran baja potencia y baja transmisión de datos.

30

Siglas en inglés de High Speed Uplink Packet Access, en español Acceso Ascendente de Paquetes de Alta Velocidad.

31 Unidad de medida que se usa para calcular la velocidad de transferencia de información a través de una red, Equivale a 1000000000 bits por segundo.

37

1.2.3. Estándar IEEE 802.15.4 El estándar fue creado por el grupo de trabajo TG4 dedicado a investigar y crear un estándar de baja complejidad que maximice la vida útil de las baterías, además que opere en las bandas sin licencia. El estándar define las características eléctricas en la capa física y el enrutamiento de tramas en la capa de acceso al medio.

Utiliza el desplazamiento PSK32 en cuadratura (O-QPSK)33 y Espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS)34, una combinación de tecnologías que proporciona un excelente rendimiento en ambientes de baja relación señal-ruido.

1.2.4. ZigBee e IEEE 802.15.4 Los términos "ZigBee" y 802.15.4 generalmente son confundidos e incluso utilizados como si fueran los mismos, pero en realidad no son iguales.

La especificación 802.15.4 fue creada y es mantenida por el IEEE y define la capa física (PHY35) y la capa de control de acceso al medio (MAC36) pero no especifica métodos para realizar comunicaciones en redes multi-salto o malla, asignación de direcciones o métodos de interoperabilidad en diferentes niveles de Aplicación.

ZigBee es el principal protocolo basado en la norma 802.15.4, que añade una capa de red capaz de permitir la comunicación en redes punto a punto, multi-salto o de malla, además un módulo de seguridad para manejar situaciones complejas de seguridad y la fiabilidad en la entrega de paquetes de datos, y finalmente añade una capa de aplicación que determine los

32

Siglas en inglés de Phase Shift Keying, en español Modulación por Desplazamiento de Fase; es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. La diferencia con la modulación de fase convencional (PM) es que mientras en ésta la variación de fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señal moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado.

33 Siglas en inglés de Offset Quadrature Phase Shift keying, en español Desplazamiento de la Cuadratura PSK, es una variante de QPSK (QPSK = 4-PSK, desplazamiento de fase de 4 símbolos, desplazados entre sí 90º.) que utiliza un tiempo y medio de símbolo de desplazamiento para evitar grandes fluctuaciones de amplitud en la señal modulada.

34 Siglas en inglés Direct Sequence Spread Spectrum, en español Espectro Ensanchado por Secuencia Directa es uno de los métodos de modulación en espectro ensanchado para transmisión de señales digitales sobre ondas radiofónicas que más se utilizan.

35 Abreviatura inglés de Physical Layer , en español Capa Física.

36 Abreviatura inglés de Medium Access Layer , en español Capa de Acceso al Medio.

38

perfiles de aplicación para la interoperabilidad. EL diagrama de la Figura 4, muestra las capas definidas por el estándar ZigBee y las definidas por IEEE 802.15.4.

Figura 4: Capas del protocolo de red inalámbrica ZigBee. Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 5, editada por los autores.

1.2.4.1. 

ZigBee/IEEE 802.15.4 – Características Generales

La capa física trabaja con dos bandas de frecuencia, la primera de 2.4 GHz y la siguiente de 868/915 MHz.



La velocidad de datos varía de acuerdo a la banda de frecuencia: 250 Kbps en 2.4 GHz, 40 Kbps en 915 MHz, y 20 Kbps en 868 MHz.



Su bajo ciclo de trabajo optimiza la energía en 1 %.



Utiliza el algoritmo básico CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – Acceso Multiple por Detección de Portadora con Detección de Coliciones) para escuchar el canal y transferir información.



Baja tasa de transmisión de datos.



Consumo mínimo de la batería, esta puede durar de varios meses incluso años.



Soporta las topologías de estrella, árbol y malla.



Direccionamiento: -

en

64

bits

dispositivos.

para

direcciones

IEEE

alcanza

18.450.000.000.000.000.000

39



en 16 bits alcanza 65,535 dispositivos.

Posee intervalos de tiempo garantizados GTS37 para aplicaciones que requieran baja latencia38, y contengan datos de alta prioridad.



Rango de alcance de 10 a 75 m.

1.2.5. Funciones del estándar ZigBee 1.2.5.1.

Búsqueda

Consiste en realizar una búsqueda de todos los canales disponibles en su rango de comunicaciones POS (Personal Operating Space39). La búsqueda de red se realiza de dos formas, primero a través de la ejecución de un escaneo de detección de energía, el cuál se utiliza para determinar qué canales son los más silenciosos. Después mediante la realización de un escaneo de canales activos, enviando una solicitud beacon40, que se utiliza para determinar qué red ZigBee o que otra red PAN está actualmente en uso en ese canal.

De forma predeterminada, ZigBee elige el canal más silencioso con el menor número de redes.

1.2.5.2.

Creación de una red PAN

El estándar tiene la capacidad de realizar la creación de redes sobre canales silenciosos o que estén disponibles para su uso dentro su rango de comunicaciones POS.

1.2.5.3.

Descubrimiento de dispositivos

Está función realiza la tarea de identificar todos los dispositivos que se encuentren en una red de área personal, para ello busca inicialmente un coordinador, al cual lo interroga para que le proporcione información de la capa MAC, la dirección de red de sí mismo y de sus hijos, y a su vez los últimos brindan información de los nodos que pertenecen a su red.

37

GTS, abreviatura de Guaranteed Time Slots, en español Intervalos de Tiempo Garantizado.

Latencia es la suma de retardos temporales dentro de una red. Un retardo es producido por la demora en la propagación y transmisión de paquetes dentro de la red.

39 Espacio de Funcionamiento Personal, es una región más o menos esférica que rodea a una portátil o dispositivo de mano inalámbrica digital operado por una persona y tiene un radio de 10 metros.

40 Es un mensaje con formato específico que se utiliza para sincronizar los nodos en la red.

38

40

1.2.5.4.

Descubrimiento de servicio

Esta tarea consiste en interrogar a un nodo remoto sobre sus capacidades o servicios soportados, mediante solicitudes realizadas por los dispositivos durante el proceso de configuración e integración a la red. Los datos obtenidos son almacenados en descriptores41 en el nodo remoto, y contiene información acerca del tipo de dispositivo, la capacidad del nodo, las características de potencia y la información de cada aplicación que se ejecuta.

1.2.5.5.

Unión

La unión consiste en brindar comunicación a nivel de aplicación a varios dispositivos disponibles en la red, es decir permite que un dispositivo final en un nodo se conecte a uno o más dispositivos finales en otro nodo. Los enlaces realizados son almacenados en una tabla local por el nodo que envía la información, los datos que almacena la tabla son: el origen del dispositivo final, la dirección de red de destino y el punto final o el grupo de destino, y la identificación del grupo. Si en una tabla existen múltiples entradas de un mismo origen correspondiente a un dispositivo final, entones la información será enviada a los múltiples destinos.

1.2.5.6.

Asociación y disociación de dispositivos

El proceso de asociación parte de la búsqueda de red, luego identifica al coordinador o coordinadores de la red, envía una solicitud de ingreso y según el criterio del nodo coordinador acerca de los permisos y disponibilidad, la asociación se ejecuta y se asigna una dirección de red al nuevo integrante. La disociación empieza con él envió de la solicitud de abandono de la red, al nodo coordinador, quien tiene que decidir si aprueba o no la petición, y envía el mensaje de confirmación o respuesta.

1.2.5.7.

Configuración de un nuevo dispositivo

Esta función consiste en la configuración del protocolo ZigBee mediante operaciones requeridas, que preparan un nuevo dispositivo para ser agregado a la red.

41

Descriptor es una palabra clave que define la estructura de los datos en el nodo y permite localizarlo.

41

1.2.5.8.

Direccionamiento

Se refiere a la capacidad de un coordinador ZigBee para asignar direcciones de 16 bits o 64 bits a nuevos dispositivos que se unen a la red, está función permite la comunicación de los dispositivos en una PAN.

1.2.5.9.

Sincronización en una red

Se refiere a la habilidad de un dispositivo para coordinar al tiempo con otro dispositivo a través del envío de tramas beacon o mediante poleo (polling)42.

1.2.5.10. Seguridad Esta función proporciona seguridad a las tramas transmitidas mediante el establecimiento de claves, la administración de dispositivos y la protección de tramas, retirando después la seguridad a las tramas recibidas para que los datos puedan ser vistos por el destinatario.

1.2.5.11. Asignación de ruta Capacidad de enrutar o encaminar tramas a su respectiva dirección de destino.

1.2.6. Tipos de dispositivos Hay dos tipos de dispositivos en una red inalámbrica ZigBee, los dispositivos de función completa (FFDs43) y los dispositivos de función reducida (RFDs44). Un FFD es capaz de realizar todas las funciones descritas en el estándar IEEE 802.15.4 y puede aceptar cualquier rol en la red. Un RFD, por el contrario, tiene una capacidad limitada. Por ejemplo, un FFD puede comunicarse con cualquier otro dispositivo en la red, pero un RFD puede hablar sólo con un dispositivo FFD. Los dispositivos RFD están destinados a aplicaciones muy simples, como encender o apagar un interruptor. El poder de procesamiento y tamaño de la memoria de los dispositivos de RFD son normalmente inferiores a las de los dispositivos FFD.

42

Polling o sondeo es una forma de control en redes, según la cual cada nodo pide a cada nodo subyacente conectado a la red, si ha de enviar alguna información.

43 Siglas en inglés de Full–Function Devices, en español Dispositivos de Funcionalidad Completa.

44 RFDs abreviatura de reduced–function devices, en español Dispositivos de Funcionalidad Reducida.

42

1.2.7. Roles de los dispositivos En una red IEEE 802.15.4, un dispositivo FFD puede tomar tres diferentes roles: coordinador, coordinador PAN, y dispositivo. Un coordinador es un FFD que es capaz de transmitir mensajes. Si el coordinador también es el controlador principal de una red de área personal (PAN), este es llamado un coordinador PAN. Si un dispositivo no está actuando como un coordinador, es llamado simplemente dispositivo.

El estándar ZigBee utiliza una terminología diferente, un coordinador ZigBee es un coordinador PAN IEEE 802.15.4. Un router ZigBee es un dispositivo que puede actuar como un coordinador IEEE 802.15.4. Finalmente, un dispositivo final ZigBee es un dispositivo que no es ni un coordinador ni un router. Un dispositivo final ZigBee tiene un tamaño de memoria mínimo, de menor capacidad de procesamiento y características. Un dispositivo final suele ser el dispositivo más barato en la red. Ver Figura 5.

Figura 5: Roles de los dispositivos en el estándar IEEE 802.15.4 y ZigBee. Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 9, editada por los autores.

1.2.8. Topologías de la red ZigBee La formación de la red está gestionada por la capa de red de ZigBee. La red debe estar en una de las dos topologías de red especificadas en IEEE 802.15.4: estrella y de punto a punto.

43

1.2.8.1.

Topología de Estrella

En la topología de estrella, cada dispositivo en la red sólo puede comunicarse con el coordinador PAN, ver Figura 6. Un escenario típico en una red tipo estrella es que un FFD, programado para ser un coordinador PAN, se activa y comienza a establecer su red. Lo primero que este coordinador PAN hace, es seleccionar un único identificador PAN que no esté utilizado en ninguna otra red dentro de su radio de influencia, esto asegura que el identificador PAN no sea utilizado por cualquier red cercana.

Figura 6: Topología de Estrella.

Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 10, editada por los autores.

1.2.8.2.

Topología punto a punto

En una topología punto a punto, cada dispositivo puede comunicarse directamente con cualquier otro dispositivo, si los dispositivos se colocan lo suficientemente cerca para establecer un enlace de comunicación con éxito. Cualquier FFD de una red punto a punto puede desempeñar el papel de coordinador PAN. Una manera de decidir qué dispositivo será el coordinador PAN es tomar el primer dispositivo FFD que inicia la comunicación como coordinador PAN. En una red punto a punto, todos los dispositivos que participan en la transmisión de los mensajes son FFDs, los RDFs no son capaces de transmitir mensajes. Un RFD puede ser parte de la red y comunicarse sólo con un dispositivo concreto (coordinador o un router) en la red.

44

1.2.8.2.1.

Topología de Malla

Una red punto a punto puede tomar diferentes formas mediante la definición de las restricciones de los dispositivos que pueden comunicarse entre sí. Si no hay ninguna restricción, la red punto a punto es conocida como una topología de malla, ver Figura 7.

Figura 7: Topología de Malla.

Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 10, editada por los autores.

1.2.8.2.2.

Topología de Árbol

Otra forma de red punto a punto que soporta ZigBee es la topología de árbol, ver Figura 8.

En este caso, un coordinador ZigBee (coordinador PAN), establece la red inicial. Los routers ZigBee forman las ramas y transmiten los mensajes. Los dispositivos finales ZigBee actúan como hojas del árbol y no participan en el enrutamiento de mensajes. Los routers ZigBee pueden hacer crecer la red más allá de la red inicial establecida por el coordinador ZigBee.

Figura 8: Topología de árbol.

Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 11, editada por los autores.

45

Un ejemplo de cómo la transmisión de un mensaje puede ayudar a ampliar el alcance de la red e incluso traspasar las barreras encontradas durante su camino, es el mostrado en la Figura 8, el dispositivo A tiene que enviar un mensaje al dispositivo B, pero hay una barrera entre ellos que no permite que la señal penetre, el uso de la topología de árbol ayuda a transmitir el mensaje alrededor de la barrera y llegar al dispositivo B a través del salto múltiple, esta característica permite que un mensaje salte de un nodo a otro hasta llegar a su destino. Esta cobertura más amplia se produce a expensas de la latencia potencial del mensaje.

1.2.9. Modos de operación de la Red ZigBee 1.2.9.1.

Modo Transparente

Los módulos ZigBee por defecto vienen configurados para trabajar en modo transparente, cuando los dispositivos operan en modo transparente actúan como una línea serial típica, esto quiere decir que cuando un módulo recibe un dato UART45 en el pin DI46, el dato es colocado en la cola para su transmisión RF47, si el dato no puede ser transmitido inmediatamente es almacenado en el búfer DI hasta que pueda ser enviado. Por otro lado, cuando un módulo recibe un dato RF lo transmite hacia fuera a través del pin DO48.

1.2.9.2.

Modo de operación API49

El modo de operación API se presenta como una alternativa al modo transparente, cuando un dispositivo trabaja en este modo, los datos que ingresan y salen del módulo están contenidos en tramas que especifican las operaciones o eventos realizados dentro del módulo.

Entre las operaciones facilitadas por el Modo API destacan:

45



Transmisión de datos hacia múltiples destinatarios sin ingresar al modo Command.



Estado de recepción exitosa o fallida para cada uno de los paquetes RF transmitidos.

Siglas en inglés de Universal Asynchronous Receiver-Transmitter: Chip de ciertos sistemas digitales cuyo principal objetivo es convertir los datos recibidos en forma paralela, a forma serial, con el fin de comunicarse con otro sistema externo. También realiza el proceso inverso y son programables.

46 Siglas en inglés de Data in (Entrada de datos).

47 Siglas de radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o RF 48 Siglas en inglés de Data out (Salida de datos).

49 Siglas en inglés de Application Programming Interface (Interfaz de Programación de Aplicación).

46



Identificación de las direcciones fuente de cada paquete recibido.

1.2.10.

Arquitectura de ZigBee

La Figura 9 muestra a continuación las capas que conforman la pila de protocolos del estándar ZigBee.

Figura 9: Arquitectura de ZigBee. Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 42.

1.2.10.1. Capa Física Es definida por el estándar IEEE 802.15.4, determina las funciones y requisitos a nivel de hardware, se comunica y controla directamente con el transceptor de radio para permitir la activación o desactivación cuando transmite o recibe datos respectivamente. Es la capa responsable de seleccionar el canal de frecuencia específico en el que funciona el transceptor. Para la selección primero realiza la detección de energía y determina si el canal esta libre en la frecuencia específica, después evalúa el canal libre interactuando con los valores de detección de energía y asignación de canales para así constatar que el canal no esté en uso por otro dispositivo. La capa física genera un indicador de calidad de los

47

paquetes de datos recibidos por el transceptor usando la intensidad de la señal recibida (RSS) y la relación señal – ruido (SNR) como medidas de calidad de la señal.

El formato de los paquetes de la capa física como muestra la Figura 10 consta de tres componentes: la cabecera de sincronización (SHR50), el encabezado de la capa PHY (PHR51), y la carga útil de la capa PHY (PHY Payload).

Figura 10: Estructura del paquete de la capa Física.

Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 44.

La SHR habilita al receptor para sincronizar o bloquear dentro del flujo de bits. La PHR contiene información de la longitud de la trama. La carga útil PHY es proporcionado por las capas superiores e incluye datos o comandos que necesitan ser transmitidos a otro dispositivo. La SHR se compone de un preámbulo y un delimitador del comienzo de la trama (SFD52). El campo de preámbulo es utilizado por el receptor para obtener el chip y la sincronización de símbolo. El siguiente campo del paquete de la capa física es la longitud de la trama, y un espacio reservado, seguido de la unidad de datos de la capa física (PSDU). El primer bit que se transmite (el primero de SHR) es el bit menos significativo, y el bit que se transmite al final (el último octeto de la carga útil PHY) es el bit más significativo.

Las longitudes de cada campo son las siguientes: 

Preambule Secuence: 32 bits en la banda 868 – 915 MHz utilizando BPSK, 40 bits en la banda 868 utilizando ASK, 30 bits en la banda 915 MHz utilizando ASK y 32 bits en la banda 868 - 915 MHz y 2,4 GHz utilizando O-QPSK.

50

Siglas en inglés de Synchronization Header, cabecera de sincronización.

Siglas en inglés de PHY Header, cabecera de la capa física.

52 Siglas en inglés de Start-of-Frame Delimiter, delimitador del comienzo de la trama.

51

48



Start-of-Frame Delimiter (SFD): 8 bits en la banda 868 – 915 MHz utilizando BPSK, 20 bits en la banda 868 utilizando ASK, 5 bits en la banda 915 MHz utilizando ASK y 8 bits en la banda 868 - 915 MHz y 2,4 GHz utilizando O-QPSK.



Frame Lenght: 7 bits para el número total de octetos de la PSDU.



Reserved: 1 bit reservado para aplicaciones futuras.



PSDU: varía dependiendo de los valores de la trama MAC, de 0 – 4 octetos están reservados, 5 octeto es el reconocimiento de la unidad de datos de la capa MAC, 6 – 8 reservados para nuevas aplicaciones y de 9 – 127 cualquier otra unidad de datos de la capa MAC.

1.2.10.2. Capa MAC La MAC proporciona la interfaz entre la capa física y la capa de red, es responsable de generar (si el dispositivo es coordinador) y sincronizar beacons de los dispositivos. Emplea el mecanismo de acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisión (CSMACA) y la gestión de intervalos de tiempo garantizados (GTS) para acceder al canal. Crea vínculos fiables entre dos entidades por medio de los servicios de asociación y disociación de la red. Proporciona soporte de seguridad de acuerdo al nivel que las capas superiores determinen. Existen cuatro formatos de tramas MAC: la trama beacon, la trama de datos, la trama de confirmación y la trama de comando MAC. De manera general la trama MAC tiene tres secciones: el encabezado MAC (MHR), la carga útil de MAC y el pie de MAC (MFR).

1.2.10.2.1.

CSMA-CA

El mecanismo de acceso múltiple por detección de portadora con detección de colisión es implementado para permitir que varios dispositivos utilicen el mismo canal de frecuencia para comunicarse. El dispositivo inicia realizando una evaluación del canal libre, luego entra en modo de recepción y luego comienza a transmitir su señal. Si el dispositivo encuentra el canal ocupado por otro dispositivo, este se retira por un tiempo aleatorio y lo vuelve a intentar, este proceso se repite hasta que logre transmitir o llegue al número máximo de intentos.

49

1.2.10.2.2.

Formato de trama beacon de MAC

La trama beacon como se muestra en la Figura 11, está contenida en la carga útil de la capa física como PSDU. La trama tiene tres secciones: el encabezado MAC (MHR), la carga útil del MAC, y el pie de MAC (MFR). El campo Frame Control (16 bits) de MHR contiene información que define el tipo de trama, direccionamiento de los campos, y otras banderas de control. Sequence Number (8 bits) especifica el número de secuencia beacon (BSN).

Addressing Fields (64 o 160 bits) proporciona las direcciones de origen y de destino.

Auxiliary Security HDR (0, 5, 6, 10 o 14 bits) es opcional y contiene la información necesaria para el proceso de seguridad.

Figura 11: Formato de la trama beacon de MAC. Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 20.

La carga útil de MAC contiene cuatro subcampos: La Superframe (16 bits) es la trama delimitada por dos tramas beacon. GTS Fields (32 o 40 bits) determina si un GTS se utiliza para recibir o transmitir. Pending Address Fields (variable) contiene la dirección MAC de los dispositivos que tiene datos pendientes en el coordinador. Beacon Payload (variable) es opcional para ser utilizado por la capa de red junto con una trama beacon.

El campo de pie de MAC, secuencia de verificación FCS (16 bits) se utiliza para verificar posibles errores en la trama recibida.

1.2.10.2.3.

Formato de trama de datos MAC

La trama de datos MAC se muestra en la Figura 12. Los datos pueden ser proporcionados por la capa de red. La estructura de los campos es similar a la estructura general de la capa

50

PHY, ver Figura 10, consta de una cabecera MHR, la cola MFR y los datos de la carga útil de MAC. Esta trama se la reconoce como la unidad de datos de MAC (MPDU) y pasa hacer parte de la carga útil de la capa física.

Figura 12: Formato de la trama de datos MAC. Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 21.

1.2.10.2.4.

Formato de trama de confirmación MAC

Como se muestra en la Figura 13 es el formato más simple de las tramas MAC y no tiene ninguna carga. Esta trama es enviada por un dispositivo a otro para confirmar la recepción satisfactoria de un paquete.

Figura 13: Formato de la trama de confirmación MAC. Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 21.

1.2.10.2.5.

Formato de trama de comando MAC

En la trama de comandos se encuentran solicitudes tales como, la de asociación o disociación con una red, ver Figura 14. Esta trama al igual que las anteriores contiene una

51

cabecera, una cola y se diferencia en la carga útil que es la que contiene el propio comando.

Comand Type (8 bits) indica el tipo de comendo y Command Payload (variable) describe el comando. Toda la trama es parte de la carga útil de la capa física como PSDU.

Figura 14: Formato de la trama de comandos MAC. Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 21.

1.2.10.3. Capa de Red La capa de Red o NWK de sus siglas en inglés Network Layer, es la interfaz entre la capa MAC y la capa de Aplicación, se caracteriza por ofrecer procedimientos que permiten el correcto funcionamiento de la capa MAC y por prestar un servicio adecuado a la capa de Aplicación.

La principal responsabilidad de la capa NWK es la administración de la formación de redes y el enrutamiento. Para cumplir con esta responsabilidad realiza tareas de configuración de nuevos dispositivos, inicio de nuevas redes, unión y salida de dispositivos de una red, aplicación de seguridad en la capa NWK, enrutamiento de tramas a su respectivo destino desarrollado

únicamente

por

coordinadores

ZigBee

y

routers;

descubrimiento

y

mantenimiento de rutas, descubrimiento de los vecinos de un salto, almacenamiento de la información de los vecinos de un salto y asignación de direcciones a los dispositivos que se unen a la red, la última tarea mencionada solo puede ser realizada por coordinadores ZigBee y routers de la red.

1.2.10.3.1.

Mecanismos de comunicación

ZigBee utiliza los siguientes mecanismos de comunicación para transmitir los mensajes en la red: broadcast, unicast, multicast y la comunicación de muchos a uno.

52

La categoría broadcast o de difusión está diseñada para que la transmisión de un mensaje sea receptada por cualquier dispositivo de la red. Cada vez que un dispositivo recibe un paquete, el dispositivo chequeará la dirección de destino proporcionada por el paquete para verificar si es el correspondiente destinatario. Ver Figura 15.

Figura 15: Mecanismo de comunicación Broadcast.

Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 81, editada por los autores.

La categoría multicast entrega un mensaje a un grupo específico de dispositivos en la red, cada grupo se identifica mediante un identificador de grupo multicast de 16 bits. En el estándar ZigBee, el modo multicast sólo se utiliza para la transmisión de tramas de datos.

Ver Figura 16.

Figura 16: Mecanismo de comunicación Multicast.

Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 81, editada por los autores.

La categoría unicast transmite el mensaje a un solo dispositivo. Un mensaje unicast contiene la dirección específica del dispositivo conocido a menos que se especifique lo contrario.

Unicast es considerado como el modo de comunicación por defecto de ZigBee. Ver Figura 17.

53

Figura 17: Mecanismo de comunicación Unicast.

Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 81, editada por los autores.

La comunicación de muchos a uno se produce cuando un único dispositivo recibe mensajes de múltiples dispositivos en la misma red, el dispositivo que recibe los mensajes es llamado sink (recipiente). La Figura 18 ilustra el escenario de este mecanismo de comunicación, en el cual el dispositivo S se convierte en el dispositivo sink de la red. En una red inalámbrica ZigBee, el dispositivo sink establecerá rutas a sí mismo de todos los routers ZigBee y coordinadores ZigBee dentro de un radio conocido.

Figura 18: Comunicación de muchos a uno.

Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 86, editada por los autores.

1.2.10.4. Capa de Aplicación La capa de Aplicación o APL de sus siglas en inglés Application Layer, es la capa superior máxima del estándar ZigBee, está constituida por la Subcapa de Soporte de Aplicaciones o

54

APS de sus siglas en inglés Application Support Sublayer, los Objetos de Dispositivo ZigBee o ZDO de sus siglas en inglés ZigBee Device Object, y el Framework de Aplicación o en idioma inglés Application Framework, ver Figura 19.

Figura 19: Capa de Aplicación.

Fuente: http://www.embedded.com/showArticle.jhtml?articleID=1890243

1.2.10.4.1.

El Framework de Aplicación

La subcapa Framework de Aplicación de ZigBee o en idioma inglés Application Framework, es el entorno en el cual los objetos de aplicación se alojan para controlar y gestionar las capas del protocolo en un dispositivo ZigBee. Los objetos de aplicación son desarrollados por los fabricantes y son ellos quienes se encargan de personalizar los dispositivos para diferentes aplicaciones, puede haber hasta 240 objetos de

aplicación en un único

dispositivo.

El estándar ZigBee ofrece la opción de utilizar los perfiles de aplicación durante el desarrollo de una aplicación, el uso de los perfiles de aplicación permiten una mayor interoperabilidad entre los productos elaborados por diferentes proveedores para una aplicación específica.

55

1.2.10.4.2.

Objetos de Dispositivo ZigBee

Los Objetos de Dispositivo ZigBee o ZDO de sus siglas en inglés ZigBee Device Object, actúan como una interfaz entre la subcapa APS y el Framework de Aplicación, ver Figura 20.

Los ZDO son responsables de definir el papel del dispositivo en la red, utilizan los servicios de la capa NWK y la subcapa APS para configurar el dispositivo como coordinador ZigBee, router ZigBee o como un dispositivo final. También son los responsables de descubrir los dispositivos de la red y sus aplicaciones, iniciar o responder a solicitudes de enlace, y llevar a cabo tareas de seguridad, ver Figura 20.

Figura 20: ZDO actúa como interfaz entre el Framework de aplicación y la subcapa APS. Fuente: Libro ZigBee Wireless Networks and Transceivers, página 118, editada por los autores.

1.2.10.4.3.

La subcapa de Soporte de Aplicaciones

La subcapa de Soporte de aplicaciones o APS de sus siglas en inglés Application Support Sublayer, proporciona una interfaz entre la capa NWK y la capa APL. La subcapa APS es responsable de mantener las tablas de enlace, realizar envío de mensajes entre dispositivos enlazados, administrar o gestionar direcciones de grupo, mantener el mapa IEEE de direcciones de 64 bits para hacer frente a las direcciones de red de 16 bits, y brindar apoyo en el transporte confiable de datos.

56

1.2.10.5. Seguridad El estándar ZigBee utiliza para proteger la confidencialidad de los datos en sus mensajes salientes el algoritmo de cifrado AES53, e incluye el método de autenticación de datos MIC54 que permite al receptor saber si el mensaje ha sido alterado durante el proceso de transmisión hasta su respectivo destino.

Existe la posibilidad de riesgo de seguridad en la red debido a la limitada capacidad de procesamiento y almacenamiento de los dispositivos, estás características pueden causar que los nodos no sean resistentes a ataques, presentándose el riesgo de extracción de información sensitiva, sin embargo se pueden implementar en determinados nodos capacidades de resistencia tal como borrar información sensitiva al detectar algún intento de robo de información.

1.2.11.

Aplicaciones de ZigBee

ZigBee soporta el mayor número de estándares interoperables que se pueden utilizar en innumerables productos, permitiendo conectar la más amplia gama de dispositivos

en

cualquier industria, en una red de control único. La gama de estándares han sido diseñados por expertos de la industria para satisfacer las necesidades específicas de los consumidores y de los mercados de empresas, ayudando a los clientes a mejorar y a obtener un mayor control sobre sus actividades diarias.

La ZigBee Alliance ha desarrollado una amplia variedad de estándares innovadores para cada mercado objetivo, que además de facilitar las tareas, ayudan a preservar el medio ambiente. Ver Figura 21.

53

AES, siglas en inglés de Advanced Encryption Standard, en español Estándar de cifrado avanzado, es un estándar de cifrado por bloques adoptado como un estándar de cifrado por el gobierno de los Estados Unidos, con bloques de 128 bits y llaves de 128, 192 ó 256 bits.

54 La Modulación por Impulsos Codificados MIC o PCM por sus siglas inglesas de Pulse Code Modulation, es un procedimiento de modulación utilizado para transformar una señal analógica en una secuencia de bits, esta secuencia de bits ayudan a detectar si un mensaje ha sido modificado.

57

Figura 21: Aplicaciones de ZigBee. Fuente: www.zigbee.org

1.2.11.1. ZigBee Building Automation

En idioma español Automatización de Edificios de ZigBee, es un estándar global para productos interoperables, utilizado en aplicaciones que permiten el control seguro y fiable de sistemas de edificios comerciales.

1.2.11.2. ZigBee Remote Control

En idioma español Control Remoto de ZigBee, es un estándar global para controles remotos de radio frecuencia avanzada, de fácil uso, que elimina las restricciones de línea vista al mismo tiempo que entrega comunicación de dos vías, con mayor alcance y duración de la batería. Es utilizado en aplicaciones de dispositivos electrónicos de consumo incluyendo HDTV, equipos de cine en casa, decodificadores y otros equipos de audio.

58

1.2.11.3. ZigBee Smart Energy

En idioma español Energía Inteligente de ZigBee, es una estándar líder en el mundo de productos interoperables, que supervisan, controlan, informan y automatizan la entrega y uso de energía y agua, los dispositivos que lo utilizan colaboran en la creación de hogares más verdes, y brindan a los consumidores información necesaria para reducir el consumo energético y ahorrar dinero.

1.2.11.4. ZigBee Health Care

En idioma español Cuidado de la Salud de ZigBee, es un estándar global para productos interoperables que permiten el control seguro y fiable y la gestión no-crítica de los servicios de la salud general, el bienestar y fitness. Una variedad de estos productos también ofrecen una conexión innovadora con profesionales de la salud como médicos y enfermeras, permitiendo hacer un seguimiento de la salud incluso si está en casa.

1.2.11.5. ZigBee Home Automation

En idioma español Automatización del Hogar de ZigBee, es un estándar global para productos interoperables que permiten hogares inteligentes que puedan controlar los aparatos de iluminación, el medio ambiente, gestión de la energía y la seguridad, así como la capacidad de expansión para conectarse con otras redes ZigBee. Los hogares inteligentes ayudan a los consumidores a ahorrar dinero, ser más conscientes del medio ambiente, sentirse más seguros y disfrutar de una variedad de comodidades que hacen las viviendas más fáciles y menos costosas de mantener.

59

1.2.11.6. ZigBee Input Device

En idioma español Dispositivo de Entrada de ZigBee, es un estándar global que facilita el uso de paneles táctiles, teclados, ratones y otros dispositivos de entrada utilizados con computadores y dispositivos electrónicos de consumo, que permiten a los consumidores utilizar sus dispositivos desde distancias mayores, o incluso desde otra habitación debido a que la operación no se limita a la línea de visión. Ofrece la posibilidad de definir funciones especiales y mejorar el rendimiento más allá del comportamiento normal de un ratón, teclado o dispositivo de entrada similar.

1.2.11.7. ZigBee Retail Services

En idioma español Servicios Minoristas de ZigBee, ofrece un estándar global de productos interoperables para supervisar, controlar y automatizar la adquisición y entrega de mercancías. Los consumidores utilizarán dispositivos móviles innovadores para hacer compras más inteligentes y más eficientes. Los minoristas fortalecerán las relaciones de consumo, reduciendo el tiempo en las líneas de pago y envío, comprendiendo mejor la conducta de compras que mejoran las experiencias de los consumidores comerciales, agregando opciones de pago seguras, y gestionando sus cadenas de suministro.

1.2.11.8. ZigBee Telecom Services

En idioma español Servicios de Telecomunicaciones de ZigBee, es un estándar global para productos interoperables que permiten una amplia variedad de servicios de valor agregado, incluyendo la entrega de información, juegos móviles, servicios basados en ubicación, pagos seguro por teléfono móvil, publicidad móvil, zona de facturación, control de acceso de oficinas móviles, pagos y servicios de intercambio de datos punto a punto.

60

1.2.11.9. ZigBee 3D Sync

En idioma español Sincronización 3D de ZigBee, será una norma mundial para 3D, más flexible, cómodo y agradable a la visualización de alta definición, que mejorará la experiencia 3D y permitirá una mayor libertad de movimiento de personal sin alterar su punto de vista en 3D al usar gafas 3D. Con ZigBee 3D Sync, las gafas 3D se conectarán fácilmente a una variedad de videosources tales como consolas de videojuegos, reproductores de Blu-ray y televisores de alta definición en 3D.

1.3.

DOMÓTICA

1.3.1. Definición Domótica proviene del término latín domus que significa casa y del griego tica que significa que funciona por sí sola. Es toda automatización realizada sobre construcciones arquitectónicas con el fin de brindar seguridad, bienestar, comunicación y gestión energética a través de la integración de redes cableadas o inalámbricas, ver Figura 22.

Figura 22: Aplicaciones Domóticas.

Fuente: www.arquigrafico.com/la-domotica-o-sistema-de-automatizacion-de-vivienda

61

Existen varias aplicaciones que han sido desarrolladas en Domótica, entre ellas se pueden mencionar las siguientes: 

Ahorro de energía



Confort



Seguridad



Comunicaciones

1.3.2. Aplicaciones 1.3.2.1.

Gestión de energía

Las aplicaciones enmarcadas bajo el concepto de ahorro de energía, representan la mayoría de aplicaciones desarrolladas en domótica. Dentro de una vivienda encontramos innumerables aparatos eléctricos o electrónicos que consumen energía en muchos de los casos de manera desmedida, por ejemplo los equipos de climatización, iluminación o electrodomésticos, en los cuales es necesario llevar a cabo la gestión de consumo en días de inactividad en el hogar, o en horas de racionalización por la ausencia de sus ocupantes.

1.3.2.2.

Confort

La Domótica facilita las tareas cotidianas que demandan la intervención directa del usuario, de esta manera brinda confort al requerir la participación menos activa y más de control o programación por parte del usuario.

Un ejemplo muy claro de ello es la automatización de las luminarias de un hogar, en el cual se controla el encendido y apagado de la iluminación, la regulación de la intensidad de luz de acuerdo al nivel de iluminación adecuada para el usuario, mediante mecanismos localizados dentro del hogar o fuera del mismo.

1.3.2.3.

Seguridad

En domótica la seguridad se implementa tanto para las personas como para los bienes dentro del hogar. Es posible detectar intrusos, simular presencia para evitar robos,

62

televigilancia, telecontrol de dispositivos, detección de incendios, fugas de gas o agua, sistemas de alarmas o alertas médicas, etc.

1.3.2.4.

Comunicaciones

La comunicación es el complemento perfecto en las aplicaciones domóticas, permite notificar los acontecimientos que suceden en la casa, pudiendo controlarse las funciones de un sistema domótico en la ausencia del usuario mediante el intercambio de información relevante entre el usuario y los dispositivos eléctricos o electrónicos, facilita la gestión de los equipos y la toma de decisiones en tiempo real.

1.3.3. Dispositivos Los sistemas domóticos pueden estar formados, por un único dispositivo que realiza una sola acción o por varios dispositivos que controlan todas las instalaciones dentro de una vivienda. La Figura 23 muestra el esquema de clasificación de los dispositivos que integran un sistema Domótico.

Figura 23: Ejemplos de dispositivos de un sistema Domótico.

Fuente: www.mitsucontrol.com.ar/domotica/domotica/Domotica.htm

63

1.3.3.1.

Controlador

Son los dispositivos que gestionan o administran el sistema de acuerdo a la información recibida o a la programación establecida en el mismo, necesariamente debe haber por lo menos un controlador o varios según sea el caso. Un ejemplo de controlador son los Microcontroladores que existen en el mercado de diferentes marcas y características.

1.3.3.2.

Actuador

Es el dispositivo que recibe y/o ejecuta las órdenes del controlador para realizar acciones como encendido o apagado, subir o bajar, apertura/cierre de electroválvula, etc.

1.3.3.3.

Sensor

Son dispositivos que de manera general se utilizan para captar información de relevancia, existen de varios tipos de acuerdo a su especialización; humo, gas, agua, temperatura, viento, lluvia, iluminación, humedad, etc.

1.3.3.4.

Bus

El Bus es el medio de transmisión que transporta la información entre los dispositivos de un sistema Domótico, a través de un cableado propio, por medio de las redes de otros sistemas como la red eléctrica, red telefónica, red de datos, o de forma inalámbrica.

1.3.3.5.

Interfaces

Son los dispositivos que muestran la información en un lenguaje comprensible para el usuario, permitiendo la interacción del usuario con el sistema desde cualquier sitio dentro o fuera de la casa y en cualquier momento, pudiendo ver datos, imágenes, programar, etc.

Las interfaces pueden ser pantallas, móviles, internet ya sea en texto, audio, video o ambos.

64

1.3.4. Arquitectura del sistema 1.3.4.1.

Centralizado

Este tipo de arquitectura se encuentra constituida por un controlador, que de acuerdo a la información recibida de los sensores, a su programación y configuración, realiza el envío de la información a los actuadores e interfaces, ver Figura 24.

Figura 24: Arquitectura Domótica Centralizada.

Fuente: www.casadomo.com

1.3.4.2.

La

Descentralizada

arquitectura

descentralizada

utiliza

en

interconectados que cumplen la misma función,

su

distribución

varios

controladores

enviar información a los actuadores e

interfaces según su configuración y comunicación con los sensores, ver Figura 25.

Figura 25: Arquitectura Domótica Descentralizada.

Fuente: www.casadomo.com

65

1.3.4.3.

Distribuida

Es una arquitectura en la cual los sensores y actuadores pueden operar como controladores, realizando el envío de información al sistema o actuando de acuerdo a su programación, configuración, e información que capturan por sí mismo, o que reciben de otros dispositivos del sistema, ver Figura 26.

Figura 26: Arquitectura Domótica Distribuida.

Fuente: www.casadomo.com

1.3.4.4.

Hibrido / Mixta

En una arquitectura híbrida o mixta se combinan todas las arquitecturas anteriores, es decir se puede disponer de un controlador central o de varios controladores, los dispositivos de interfaces, sensores y actuadores pueden actuar como controladores y procesar la información según el programa, de acuerdo a la configuración, conforme a la información recibida, y actuar o enviarla a otros dispositivos de la red sin que los datos pasen necesariamente por otro controlador, ver Figura 27.

66

Figura 27: Arquitectura Domótica Hibrida/Mixta.

Fuente: www.casadomo.com

1.3.5. Medios de transmisión El sistema puede utilizar distintos medios para transmitir la información, entre ellos tenemos los siguientes: 

Cableado propio.- es el medio más común en los sistemas domóticos, puede ser cableado tipo par apantallado55, par trenzado56, coaxial57 y fibra óptica58.



Cableado compartido.- es el medio que permite ocupar la infraestructura existente, ya sea la red eléctrica, red telefónica o redes de datos para la transmisión de información.



Inalámbricas.- es el medio que utiliza sistemas inalámbricos de radiofrecuencia o infrarrojo.

1.3.6. Protocolos Los protocolos son reglas de comunicación que habilitan el intercambio de información entre los dispositivos y elementos de control de un sistema Domótico, las reglas permiten que 55

Tipo de cable recubierto por una malla o un tubo metálico, que actúa de jaula de Faraday para evitar el acople de ruidos y otras interferencias, tanto del entorno hacia el cable, como del cable al entorno.

56 Medio de conexión en el que dos conductores eléctricos aislados son entrelazados para anular las interferencias de fuentes externas y diafonía de los cables adyacentes.

57 Cable utilizado para transportar señales eléctricas de alta frecuencia, posee dos conductores concéntricos, uno central, encargado de llevar la información, y uno exterior llamado malla o blindaje.

58 Medio de transmisión constituido por un hilo muy fino de material transparente, vidrio o material plástico, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

67

todos los dispositivos puedan entenderse entre sí, e interactuar con la información transmitida en el sistema.

Los protocoles se clasifican en dos grupos: 

Estándar abierto.- Disponible públicamente para cualquier persona o entidad sin la necesidad de pagar concesiones.



Estándar propietario.- Utilizado por las personas o entidades que adquieren la licencia y por el fabricante.

1.3.7. Beneficios La Domótica ofrece múltiples beneficios a los hogares e inmuebles que la implementan, sin embargo existen algunos de ellos mencionados a continuación, considerados como los más importantes. a) El ahorro energético: los sistemas inteligentes que integran un hogar o edificio, permiten optimizar el consumo energético y el consumo de agua, generando un considerable ahorro económico a los usuarios. b) La seguridad: el control sobre los accesos hacia el hogar y la implementación de alarmas que funcionan cuando incluso ha sido cortada la línea telefónica, la transmisión y recepción de información a través de cualquier central de ayuda creada para asistir a los dueños del hogar, brindan la protección completa de cada habitante y electrodoméstico o equipo del inmueble. c) El ocio: en la actualidad la implementación de sistemas domóticos han posibilitado que la gente disfrute cada vez más de su tiempo de ocio, tal es así, que las aplicaciones como el teletrabajo, formación a distancia, la telebanca, el comercio electrónico, el cine en casa, la televisión digital, etc., realizadas desde el hogar, han logrado horarios más flexibles para las personas, evitando la pérdida de tiempo y dinero. d) La comodidad: el confort brindado por la Domótica logra el mejoramiento de la calidad de vida de las personas.

68

1.4.

ELECTRÓNICA

Es una rama de la física e ingeniería que estudia el diseño, construcción y aplicación de dispositivos electrónicos, los cuales a través del flujo de electrones realizan tareas de generación, transmisión, recepción y almacenamiento de información en circuitos electrónicos, para procesar dicha información los dispositivos utilizan funciones tales como la amplificación de señales, generación de ondas de radio, extracción de información, control de la información y operaciones lógicas.

1.4.1. Electrónica analógica La electrónica analógica trata con señales análogas a las que hay en el mundo real, como la luz, el sonido, la energía, incluso el arcoíris, es decir señales que tienen una variación continua, que alcanzan valores infinitos, cuyas variables son la amplitud59 y el periodo60 en función del tiempo. Un ejemplo de señal analógica, es un voltaje o corriente, que varía suave y continuamente, tal como una onda sinodal, o los voltajes de la voz y del video que varían de acuerdo al sonido o a variaciones de la luz. La electrónica analógica modifica las señales análogas a través de técnicas de amplificación, atenuación, filtración y otras.

La Figura 28 muestra un ejemplo de cómo se genera una señal análoga a partir de una señal acústica. Cuando una persona habla, sus cuerdas vocales vibran, ocasionando que las moléculas de aire también lo hagan, este efecto propaga la vibración, y al medir la vibración durante un periodo de tiempo determinado, se genera la forma de una señal de tipo acústica.

Cuando la señal es captada por un micrófono se genera una señal eléctrica de forma análoga a la señal acústica pero más pequeña, convirtiendo las vibraciones de las moléculas a variaciones de voltaje. En las señales analógicas la información se encuentra en la forma de la onda de la señal generada.

59

La amplitud es la medida de la variación máxima del desplazamiento, de una señal electromagnética por ejemplo, que varía periódica o cuasi periódicamente en el tiempo, es decir, el valor máximo al cual puede llegar una magnitud oscilante en un período de tiempo.

60 Espacio de tiempo que incluye toda la duración o el proceso de una cosa.

69

Figura 28: Conversión de una señal acústica a analógica.

Fuente:digitronica.wordpress.com/2009/09/10/electronica-analogica-vs-electronica-digital/

1.4.2. Electrónica Digital La electrónica digital trabaja con variables discretas cuyo valor es finito, convierte las señales en números, la información está contenida en los números y no en la forma de la señal, son los números los que se transportan, manipulan, envían y recuperan, cualquier señal se puede convertir a números y recuperarse posteriormente. Los parámetros de medida son generalmente estados lógicos de un circuito, es decir variables binarias (0 y 1), por esta razón los cambios en el circuito no dependerán del valor exacto de la señal sino de los estados lógicos presentes en el mismo. Ver Figura 29.

Figura 29: Sistema Digital.

Fuente:digitronica.wordpress.com/2009/09/10/electronica-analogica-vs-electronica-digital/

70

1.4.3. Sistema Electrónico Un sistema electrónico es un conjunto de circuitos que interconectados ayudan a resolver un problema. Un sistema electrónico tiene tres partes principales, ver Figura 30. 

Entradas.- son todo tipo de mecanismo electrónico que toma una señal del mundo físico (sensores o transductores) y las convierte en señales de corriente o voltaje, para poder transmitirlas dentro del circuito.



Procesadores.- son componentes electrónicos que conectados entre sí pueden manipular, interpretar y transportar las señales emitidas por las entradas.



Salidas.- son dispositivos actuadores que convierten la señal de corriente o voltaje en una señal físicamente comprensible para el usuario.

Figura 30: Diagrama de bloques de un sistema electrónico.

Fuente: tecnologiafuentenueva.wikispaces.com/file/view/Unidad+ Did%C3%A1ctica+Electr%C3%B3nica+Anal%C3%B3gica.PDF

1.4.4. Componentes Electrónicos 1.4.4.1.

Resistencias

La resistencia eléctrica es la medida en la que un elemento no permite el paso de corriente eléctrica o la circulación de electrones, por consecuencia provoca una caída de tensión entre los terminales, transformando la energía eléctrica en calor, esto ayuda a la polarización de cargas, a limitar la tensión, controlar intensidades, y muchas otras utilidades que dependerán de las necesidades del circuito a desarrollarse. Su unidad de medida es ohmios y su letra representativa es la omega Ω.

Las resistencias se clasifican en tres grandes grupos: fijas, variables, especiales o dependientes. Ver Figura 31.

71

Figura 31: Resistencias.

Fuente: Elaborado por los autores.

1.4.4.1.1.

Resistencias fijas

Son aquellas que presentan un valor óhmico que no es posible modificar, entre ellas se encuentran, las resistencias glomeradas, de película de carbón, de películas metálicas y bobinadas.

1.4.4.1.2.

Resistencias variables

Se caracterízan por presentar un valor óhmico que es posible variar modificando la posición de un contacto deslizante, dentro de este grupo están, las resistencias bobinadadas y de película.

1.4.4.1.3.

Resistencias especiales

Las resistencias especiales son aquellas que varían su valor óhmico en función de la estimulación que reciben de un factor externo como por ejemplo la luz, este grupo la integran las resistencias LDR, VDR, PTC y NTC.

1.4.4.2.

Condensadores o capacitores

Los condensadores son componentes que almacena energía durante un tiempo, están formados por dos placas conductoras y un aislante denominado dieléctrico61. De acuerdo al material que se use en el dieléctrico se clasifican en: poliéster, nylon, aire, tantalio cerámicos, electrolitos y de papel (placas metálicas o de aluminio enrolladas). Ver Figura 32.

61

Sustancia aislante capaz de mantener el campo eléctrico en equilibrio, sin que pase corriente eléctrica por él.

72

Figura 32: Condensadores.

Fuente: www.circuitoselectronicos.wikispaces.com/capacitores

1.4.4.3.

Bobinas o inductancias

La bobina o inductancia es un elemento formado por un hilo conductor enrollado sobre un material aislante, ésta disposición de su constitución forma un campo magnético que se opone a los cambios bruscos de intensidad de corriente. Ver Figura 33.

Figura 33: Bobinas o inductancias.

Fuente: www.fftlab.com/AprendaElectronica/Bobinas/Bobinas.htm

1.4.4.4.

Diodos

Son semiconductores o componentes activos constituidos principalmente de silicio o germanio. Tienen dos terminales denominados ánodo62 y cátodo63. Se utilizan para rectificar la corriente eléctrica, permite la circulación de corriente en un solo sentido. Se clasifican en

62

Electrodo positivo de una célula electrolítica hacia el que se dirigen los iones negativos, que por esto reciben el nombre de aniones.

63 Electrodo negativo del que parten los electrones.

73

diodos rectificadores, de tratamiento de señal, diodos de capacidad variable, diodo Zener y fotodiodos como el diodo Led. Ver Figura 34.

Figura 34: Diodos.

Fuente: www.todoleds.com/tecnologia.php?nota=16

1.4.4.5.

Transistores

Son semiconductores fabricados en silicio y en otros elementos químicos, tienen tres terminales para conectarse al circuito, denominados: base, emisor y colector, en el cual una pequeña corriente o tensión aplicada a uno de los terminales controla o modula la corriente entre los otros dos terminales, son utilizados como amplificadores en circuitos analógicos y como interruptores en circuitos digitales. Se clasifican en transistores bipolares y de efecto de campo. Ver Figura 35.

Figura 35: Transistores.

Fuente: Elaborado por los autores.

74

1.4.4.5.1.

Triac

Es un Semiconductor que trabaja bidireccionalmente, funciona en los semiciclos positivos y negativos. Trabaja con tres electrodos, ánodo, cátodo y una compuerta. La principal utilidad de los triacs, es como regulador de potencia entregada a una carga en corriente alterna. Ver Figura 36.

Figura 36: Triac.

Fuente: orbita.starmedia.com/~diet201eq5/trabajo1.htm

1.4.4.5.2.

Fototransistor

Es un transistor cuyo factor de incidencia es la luz, la misma que hace las veces de corriente base. Se utilizan conjuntamente con un led para detectar la interrupción del haz de luz de un objeto. Ver Figura 37.

Figura 37: Fototransistor.

Fuente: www.robodacta.com.mx/activacioncartproducto.asp?ProductoID=79&CategoriaID=27&SubCategoriaID=45

1.4.4.6.

Microcontrolador

Es un circuito integrado por una unidad central de proceso, una memoria RAM para almacenar información, memoria para el programa tipo ROM / PROM / EPROM, líneas de E/S para comunicación, módulos para el control de periféricos (puertos serial y paralelo,

75

temporizadores, etc.), generador de impulsos de reloj para sincronizar el funcionamiento, y otros

componentes

electrónicos

como

semiconductores

y

transistores.

Los

Microcontroladores pueden ser fácilmente programados para llevar a cabo diversas tareas y son empleados en variedad de sistemas electrónicos, como juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, etc. Ver Figura 38.

Figura 38: Microcontroladores.

Fuente: www.ceiarteuntref.edu.ar/badarte/?q=taxonomy/term/54/

1.4.4.7.

Pulsador

Un pulsador o botón es un dispositivo utilizado para activar alguna función, los botones son por lo general activados al ser pulsados normalmente con un dedo. Permiten el paso o interrupción de la corriente mientras es accionado y cuando ya no se actúa sobre él vuelve a su posición de reposo. Los botones son de diversa forma y tamaño y se encuentran en todo tipo de dispositivos, aunque principalmente en aparatos eléctricos o electrónicos.

Un botón de un dispositivo electrónico, funciona, por norma general, como un interruptor eléctrico, es decir en su interior tiene 2 contactos, uno, si es un dispositivo NA (Normalmente Abierto) o NC (Normalmente Cerrado en reposo).

El botón pulsador se compone por una lámina conductora que establece contacto con los dos terminales al oprimir el botón, y un muelle que hace recobrar a la lámina su posición primitiva al cesar la presión sobre el botón pulsador. Ver Figura 39.

76

Figura 39: Pulsador.

Fuente: http://atmega8mex.blogspot.com/

1.4.4.8.

Osciladores

El oscilador es un circuito que convierte la corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia con el fin de generar una señal periódica. Un oscilador de cristal es un oscilador armónico cuya frecuencia está determinada por un cristal de cuarzo o una cerámica piezoeléctrica64, ver Figura 40.

Figura 40: Osciladores.

Fuente: m-team.blogspot.com

64

Los materiales llamados piezoeléctricos generan una tensión eléctrica (voltaje) cuando son golpeados o deformados.

77

1.4.4.9.

Optoacopladores

Son circuitos integrados que combinan semiconductores, fotoemisores65 y fotoreceptores66, que permiten el acoplamiento de señales por medio de luz visible o infrarroja, los circuitos que se acoplan permanecen en aislamiento eléctrico de ahí que también se los conoce como optoaislador. Ver Figura 41.

Figura 41: Optoacopladores.

Fuente: www.directindustry.es/prod/avago-technologies/optoacopladores-33934381890.html

1.4.4.10. Pantalla LCD Pantalla de Cristal Líquido o LCD, de sus siglas en inglés Liquid Cristal Display, es una pantalla formada por pixeles con dos capas de material polarizante, que contiene entre las capas una solución de cristal líquido, este mecanismo permite que los cristales se alineen de tal manera que impidan el paso de la luz mediante una señal eléctrica. Ver Figura 42.

65

Los fotoemisores emiten electrones cuando existe energía radiante que incide sobre material sensible a dicha radiación.

66 Los fotoreceptores funcionan como un transductor de luz que proporciona una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre la superficie sensora, es capaz de convertir la energía óptica en energía eléctrica.

78

Figura 42: Pantalla LCD. Fuente: www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php?title=Usando_LCDs

1.4.4.11. Reguladores de voltaje Los reguladores de voltaje se encargan de establecer un voltaje adecuado y estable para el circuito, protegiéndolo contra sobrecargas térmicas y contra cortocircuitos. Su diseño permite que se desconecten para autoprotegerse en condiciones extremas de alta y baja tensión. Ver Figura 43.

Figura 43: Reguladores de voltaje.

Fuente: spanish.alibaba.com/product-gs/voltage-regulators-51183649.html

79

II METODOLOGÍA

2.1.

INTRODUCCIÓN

En esta sección se explica en qué consisten los tipos, métodos y técnicas de investigación y la aplicación de los mismos en

el desarrollo del proyecto de disertación de grado

denominado “Aplicación de una red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD”.

2.2.

TIPOS, MÉTODOS Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN

2.2.1. Tipos de Investigación 2.2.1.1.

Investigación Bibliográfica

La investigación bibliográfica es una de las primeras etapas de la investigación de cualquier proyecto, consiste en la búsqueda y análisis de información secundaria en la web, en textos, tratados, monografías y revistas, para la adquisición de conocimiento en un área particular, constituye el principal apoyo para el desarrollo del trabajo investigativo.

Aplicación: Se utilizó la investigación bibliográfica como base en la búsqueda de información para realizar las siguientes actividades: 

Investigación en internet y libros sobre la tecnología ZigBee.



Investigación en internet y libros sobre Redes Inalámbricas.



Investigación en internet y libros sobre Domótica.



Investigación en internet y libros sobre Electrónica.



Investigación en internet sobre los dispositivos adecuados para el desarrollo de la red ZigBee.

80

2.2.1.2.

Investigación Aplicada

Es toda investigación científica orientada a generar nuevo conocimiento o a mejorarlo particularmente en el área de bienes y servicios. Se clasifica en investigación aplicada fundamental para la generación de nuevo conocimiento en forma teórica y la investigación aplicada tecnológica enfocada al sector productivo.

Aplicación: Se tomó en consideración la investigación aplicada para determinar las mejoras al servicio ofrecido por la infraestructura disponible en la sala de reuniones, la misma que disponía de instalaciones lumínicas controladas totalmente de forma manual, y no contaba con ningún monitor de temperatura, con el fin de renovar el servicio se consideró realizar las siguientes actividades. 

Gestionar el control automático y manual de las luminarias.



Controlar la intensidad de la luz.



Monitorear la temperatura.

2.2.2. Métodos de Investigación 2.2.2.1.

Método experimental

Es un método completo y eficaz donde se aísla al objeto para someterlo a situaciones controladas, de acuerdo al experimento modificar las condiciones a las que está sometido el objeto de estudio. El experimento sirve para esclarecer las propiedades y relaciones del objeto con las condiciones necesarias que son de utilidad para la investigación.

Aplicación: EL método experimental constituyó una pieza importante en el desarrollo del proyecto, nos permitió trabajar con los dispositivos transmisor y receptor de la Red ZigBee, simular las diferentes situaciones que se presentan en las sala de reuniones, realizar modificaciones y verificar el correcto funcionamiento de la Red. Las actividades que se llevaron a cabo durante la aplicación del método experimental son las siguientes: 

Construcción y configuración del prototipo de la red ZigBee.



Ejecución de pruebas de funcionamiento del prototipo de la red ZigBee.

81

2.2.2.2.

Método Analítico y Sintético

El método analítico y sintético implica primero el análisis de todas las partes que constituyen un todo, para conocer lo más importante del objeto de estudio, luego del análisis se realiza la síntesis que consiste en la unión de todas las partes para alcanzar la singularidad del objeto.

Aplicación: Se utilizó el método analítico y sintético para estudiar la información obtenida a partir de las investigaciones realizadas en el desarrollo del proyecto, de igual manera para extraer la información más importante y proceder con la elaboración de su respectivo resultado. Las actividades que se sometieron a la aplicación del método analítico y sintético son las siguientes: 

Selección de información relevante sobre la tecnología ZigBee.



Selección de información sobre los dispositivos a ser utilizados en la aplicación de la red.



Elaboración de cada uno de los informes de investigación.



Discusión de los resultados.

2.2.3. Fuentes y Técnicas de Investigación 2.2.3.1.

Fuentes primarias

Las fuentes primarias son las que han sido elaboradas en el momento del desarrollo del acontecimiento que se quiere conocer, contiene información original que no ha sido sometido a ninguna modificación posterior, son productos de una investigación o una actividad especialmente creativa. Ejemplos de fuentes primarias son la encuesta, fotografías, artículos científicos, reportes de investigación, tesis, etc.

2.2.3.1.1.

Encuesta

La encuesta es la técnica que consiste en obtener información específica de los usuarios encuestados, a través de cuestionarios elaborados previamente, la finalidad de la encuesta es recoger información de una "muestra". Una "muestra" es usualmente sólo una porción de la población bajo estudio.

82

Para diseñar la encuesta se puede utilizar distintos tipos de preguntas, pueden ser abiertas ("¿Por qué siente así?"), o cerradas ("¿Aprueba usted o desaprueba?"), preguntas dicótomas que permiten sólo dos alternativas (Si, No), preguntas de batería

que contienen varias

preguntas relacionadas entre sí dependientes una de la otra, preguntas de respuestas múltiples que proporcionan varias alternativas al encuestado (Mal, Bien, Excelente), respuestas unipolares, es decir respuestas que van de un extremo de acuerdo a una la escala de preferencias, entre otras. El diseño depende de lo que el entrevistador desee conocer acerca del participante evaluado.

2.2.3.1.1.1. Determinación de la Población y Tamaño de la Muestra 2.2.3.1.1.1.1. Población y Características Entidad: Objeto a participar de la encuesta.

Actividad: Actividad realizada por el objeto que participa en la encuesta.

Ubicación: Ubicación geográfica que localiza el objeto que participa en la encuesta. Área: Área o situación que es motivo de la encuesta.

Población: Población a ser encuestada.

2.2.3.1.1.1.2. Tamaño de la Muestra La muestra consiste en estudiar solo una parte de la población para luego proceder a la obtención de conclusiones, cuando una población es finita, la muestra es igual al tamaño de la población, mientras que cuando una población es infinita, la muestra se determina mediante el cálculo de la siguiente ecuación matemática:

n= Tamaño de la muestra.

Z= Nivel de confiabilidad (95%).

P= Probabilidad de éxito (0.5).

83

Q= Probabilidad de fracaso (0.5). Ɛ= Error en la investigación (0.05).

N= Población (# total de habitantes que conforman la población).

Aplicación: Se realizó una encuesta dirigida a los usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD,

con el fin de obtener información real acerca de

la

satisfacción de los usuarios con respecto al uso de la infraestructura de la sala y a las actividades que en ella se realizan. Durante el proceso de la elaboración y aplicación de la encuesta se realizaron las siguientes actividades: 

Diseño de la encuesta.



Determinación de la población y tamaño de la muestra.



Aplicación de la encuesta.



Tabulación de los datos.

2.2.3.1.2.

Fotografía

La fotografía es el proceso de capturar imágenes por medio de algún dispositivo tecnológico sensible a la luz. El sistema original de fotografía que se basa en el principio de la cámara oscura, se mantuvo hasta hace algunos años, el sistema consistía en actuar con películas sensibles con el propósito de almacenar la imagen capturada para luego imprimirla. En la actualidad, se utilizan sistemas digitales con sensores y memorias para tomar fotos de forma sencilla, rápida y con mejores resultados.

Aplicación: Se tomaron una determinada cantidad de fotos con el fin de dar a conocer el estado y evolución del desarrollo del proyecto, las capturas se llevaron a cabo durante la construcción y pruebas del prototipo de la red ZigBee y mientras se realizaba la instalación y pruebas de la red ZigBee en la sala de reuniones.

2.2.3.2.

Fuentes Secundarias

Las fuentes secundarias son aquellos textos construidos a partir de fuentes primarias, proporcionan a los lectores una síntesis de la información contenida en documentos primarios sobre determinados temas de interés con la finalidad de ayudar a los usuarios a solucionar sus necesidades de información. Ejemplos de fuentes secundarias son las

84

publicaciones periódicas, enciclopedias, libros, revistas, diccionarios, resúmenes, normas, índices, internet, etc.

2.2.3.2.1.

Libros

Un libro es una obra impresa, o en formato digital, que trata sobre un tema específico, creado con el fin de brindar información al lector. Está compuesto por una serie de hojas de papel, pergamino, vitela u otro material, unidas por un extremo (encuadernadas)

y

protegidas con tapas, también llamadas cubiertas.

Aplicación: Los libros constituyeron una fuente significativa que se utilizó en la investigación, nos ayudaron a determinar los diferentes conceptos y procesos que podían tomarse en cuenta para el desarrollo de cada uno de los temas.

2.2.3.2.2.

Internet

Internet es una red de redes que permite interconectar de forma descentralizada una diversidad de computadoras a través de un conjunto de protocolos denominado TCP/IP67, existen diferentes protocolos utilizados en internet, uno de ellos es HTTP68 de sus siglas en inglés HyperText Transfer Protocol. HTTP

permite acceder a la gran variedad de

información disponible en la World Wide Web (WWW69).

Aplicación: EL internet constituyó un elemento fundamental en la investigación, permitió el desarrollo del proyecto gracias a la variedad de información actualizada disponible en la World Wide Web.

67

TCP/IP son las siglas en inglés Transmission Control Protocol/Internet Protocol, en idioma español Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo de Internet, es un sistema de protocolos que hacen posibles servicios Telnet, FTP, E-mail, y otros entre ordenadores que no pertenecen a la misma red.

68 HTTP, en idioma español Protocolo de transferencia de hipertexto, es el método más común de intercambio de información en la World Wide Web, mediante el cual se transfieren las páginas web a un ordenador.

69 WWW son las siglas en inglés de World Wide Web, el sistema de documentos de hipertexto que se encuentran enlazados entre sí y que son accesibles a través de Internet. Mediante un software conocido como navegador, los usuarios pueden visualizar las páginas web (que contienen texto, imágenes, videos y otros contenidos multimedia) y navegar a través de ellas mediante los hipervínculos.

85

2.2.3.3.

Técnicas de investigación

Las técnicas son procedimientos o recursos fundamentales que utiliza el investigador para acercarse a los hechos y acceder a su conocimiento, constituyen el conjunto de mecanismos orientados a recolectar, conservar, analizar y transmitir los datos de los fenómenos sobre los cuales se está realizando la investigación.

2.2.3.3.1.

Observación

La observación es aquella que ayuda a indagar el objeto de estudio, mediante el empleo de los sentidos, con o sin ayuda de aparatos técnicos.

Aplicación: Se utilizó la observación como una técnica de investigación que permitió determinar la realidad de la sala de reuniones.

2.2.3.3.2.

Visitas

Las visitas son aquellas que se realizan con la finalidad de ver el estado de un problema y su evolución.

Aplicación: Se efectuó visitas a la sala de reuniones con la finalidad de realizar las siguientes actividades: 

Reconocimiento de las luminarias y toma corrientes instalados en la sala de reuniones.



Medición del área en metros cuadrados de la sala.



Tomas fotográficas.

2.2.3.3.3.

Encuesta

La encuesta es la técnica de investigación que se utiliza para obtener información sobre hechos, hábitos de conducta, características, opiniones o actitudes realizadas a las personas encuestadas, a través de preguntas elaboradas previamente.

Aplicación: Se elaboro una encuesta dirigida a los usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD con el objetivo de recolectar información en cuanto a

86

la satisfacción general de los usuarios con respecto al uso de la infraestructura disponible de la sala.

2.2.4. Metodología de diseño de redes inalámbricas de sensores La metodología utilizada para diseñar la aplicación de la red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, es la propuesta en la conferencia Internacional IEEE sobre Redes de Sensores, Ubicuo, y Computación Confiable realizada en el año 2008, denominada “Service-Oriented Design Methodology for Wireless Sensor Networks: A View through Case Studies”. Esta metodología propone el diseño de WSN orientadas al servicio, cabe destacar que no presenta herramientas para automatizar el procedimiento a utilizarse en el diseño de redes de sensores.

La metodología se fundamenta en la interacción de los componentes para proporcionar un servicio de calidad.

Las etapas para diseñar redes de sensores orientadas al servicio son: 

Recopilación de los requisitos



Análisis



Diseño de la solución



Pila de protocolos y diseño de aplicaciones



Desarrollo de código



Implementación y pruebas.

2.2.4.1.

Recopilación de los requisitos

En esta sección se

establecen los requisitos de todos los elementos del sistema, es

necesaria la comunicación con los clientes y los usuarios para determinar cuáles son sus requerimientos.

Los requisitos se pueden documentar en varias formas, tales como documentos de lenguaje natural, casos de uso, historias del usuario, o especificaciones de proceso. Se pueden

87

utilizar técnicas para conseguir los requisitos del cliente tales como entrevistas, encuestas o la combinación de varios métodos que permitan producir un sistema que resuelva las necesidades detectadas.

Aplicación: La recopilación de requisitos fue realizada a través de

la aplicación de la

encuesta a los usuarios de la sala de reuniones, esta fuente nos permitió conocer las opiniones de los mismos con respecto al medio en el cual desarrollan sus actividades y afianzar la necesidad de aplicar una red ZigBee en la sala de reuniones que contenga las mejoras propuestas por el proyecto: la automatización de luminarias, control de intensidad de luces y monitoreo de temperatura, ver Anexo 5.

2.2.4.2.

Análisis

El análisis ayuda a determinar si los requisitos señalados son confusos, incompletos, ambiguos, o contradictorios, para después obtener conclusiones que colaboren en el diseño del sistema.

Es importante identificar a todos los usuarios, considerar todas sus necesidades y asegurar la adaptación al nuevo sistema.

Aplicación: El análisis de los requisitos se realizó a la información obtenida en los resultados de la encuesta a los usuarios de la sala de reuniones.

2.2.4.3.

Diseño de la solución

Después de la recolección y análisis de los requerimientos de los usuarios, se deben tomar en cuenta las soluciones existentes para comprobar su posible reutilización, por ejemplo, si las soluciones existentes satisfacen determinados requerimientos de los usuarios pero limitan la prestación de servicios deseables, si no hay solución apropiada, es recomendable crear una nueva solución. La etapa de diseño de la solución incluye los parámetros de diseño de red y la elección de la arquitectura de red.

Aplicación: En el diseño de la solución se consideró utilizar la infraestructura existente en la sala de reuniones, los parámetros de diseño de red y la elección de la arquitectura de red fueron tomados en cuenta en base a las características y funciones del estándar ZigBee, y

88

en base a las topologías de red soportadas por el estándar. Las actividades que se realizaron durante el diseño de la solución son: 

Determinación de la topología de la red ZigBee.



Diseño de la red ZigBee.



Diseño del circuito transmisor y receptor de la Red.

2.2.4.4.

Pila de protocolos y diseño de aplicaciones

Después de las decisiones generales realizadas sobre la solución de la arquitectura, deben diseñarse los protocolos y aplicaciones que residen en los nodos individuales. El diseño de las pilas de protocolos individuales de redes y las aplicaciones proporcionan los servicios deseados por el usuario.

La formulación de la pila es considerada como el diseño del sistema en general, es un proceso iterativo en el que primero se deben definir los servicios superiores, continuando con los servicios de nivel inferior en la pila.

Aplicación: Se utilizó la pila de protocolos ofrecidas por el estándar ZigBee, con el fin de habilitar la comunicación y la transferencia de datos en la red.

2.2.4.5.

Desarrollo de código

En la fase de ejecución del desarrollo de la WSN, la descripción abstracta de los servicios deben ser asignados en código real que se ejecuta en un determinado sistema operativo sobre un dispositivo específico.

El desarrollador debe encontrar un compromiso entre la complejidad, integralidad y eficiencia del código. La complejidad del código soporta la reutilización de código simple que permite facilitar el mantenimiento.

Aplicación: El desarrollo de código y configuraciones se realizaron sobre los dispositivos que integran la red ZigBee con el fin de habilitar la transferencia de información que permita automatizar las luminarias de la sala, controlar la intensidad de la luz y monitorear la temperatura ambiente. siguientes:

Las actividades que se ejecutaron durante esta etapa son las

89



Configuración de los módulos ZigBee



Programación del microcontrolador ATMEGA8

2.2.4.6.

Implementación y Pruebas

Es la última fase del desarrollo de sistemas WSN. Es el proceso de instalar equipos o software nuevo, como resultado de un análisis y diseño previo.

Al implementar un sistema lo primero que se debe hacer es asegurarse que el sistema sea operacional o que funcione de acuerdo a los requerimientos del análisis y permitir que los usuarios puedan operarlos. Las pruebas garantizan que las entradas del sistema produzcan los resultados que realmente se requieren.

Aplicación: La implementación y las pruebas se realizaron para comprobar el estado de la Red ZigBee, es decir, que sea operacional, funcional y cumpla con los requerimientos de los usuarios, las actividades que se efectuaron durante este período son las siguientes: 

Instalación de los dispositivos de la red en la sala de reuniones.



Ejecución de pruebas del funcionamiento de la red ZigBee en la sala de reuniones.

90

III RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En este capítulo se da a conocer los resultados que se obtuvieron en el desarrollo de la aplicación de la red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, también están expuestos el análisis y discusión de cada resultado generado. Cada uno de los resultados se logró aplicando la metodología descrita en el capítulo anterior.

3.1.

ENCUESTA DIRIGIDA A LOS USUARIOS DE LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD

Para obtener este resultado se tomó en cuenta los pasos que propone la encuesta como técnica de investigación para la obtención de fuentes primarias de investigación, revisado en el capítulo anterior. A continuación se presenta la realización, el análisis y la discusión de los resultados de la encuesta dirigida a los usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

3.1.1. Determinación de la Población Las características de la población son las siguientes: Entidad: Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Sede Santo Domingo.

Actividad: Prestación de servicios de pregrado, postgrado y formación continua.

Ubicación: Vía Chone Km. 2 y San Cristóbal, Santo Domingo de los Tsáchilas – Ecuador Área: Sala de Reuniones del Edificio Administrativo de la PUCE SD Población: Directivos de la PUCE SD que asisten a la sala de reuniones, contabilizados suman un total de 26 miembros activos.

Debido a que el tamaño de la población es finito e igual a 26 usuarios que asisten de manera frecuente a la sala de reuniones, se concluye que el tamaño de la muestra es igual al tamaño de la población. En conclusión 26 personas fueron encuestadas.

91

3.1.2. Diseño de la Encuesta De acuerdo con la metodología sugerida para el diseño de la encuesta, se obtuvo como resultado una encuesta estructurada con preguntas cerradas dicótomas, preguntas de batería, con respuestas múltiples, y respuestas unipolares, ver Anexo 2.

3.1.3. Aplicación de la Encuesta Para la aplicación de la encuesta y la toma de los datos, se realizó la encuesta a cada uno de los usuarios activos de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, ver Anexo 3 y Anexo 4.

3.1.4. Tabulación de los Datos Los datos obtenidos están tabulados pregunta a pregunta a fin de hacer un análisis puntual de las interrogantes planteadas.

Pregunta 1: ¿Qué tan importante considera reunión?

usted que es la

iluminación

en el desarrollo de una

92

Alternativas

Cantidad Porcentaje

No es importante

0

0,00 %

Poco importante

0

0,00 %

Importante

7

26,92 %

Muy importante

19

73.08 %

Total

26

100 %

Tabla 8: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 1.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

0% 0% 26,92% No es importante Poco importante 73,08%

Importante Muy importante

Gráfico 1: Representación porcentual de los datos de la pregunta 1.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD. Interpretación: En la Tabla 8, el 73.08% de los encuestados consideran que la iluminación es muy importante en el desarrollo de una reunión, para el 26.92% es importante, mientras que el 0% de usuarios estiman que es poco importante o no importante.

93

Análisis: Los resultados destacan la importancia que tiene la iluminación en cualquier área o espacio donde se realizan actividades cotidianas, en especial para el desarrollo de una reunión.

Pregunta 2: ¿Cree usted que el sistema de iluminación actual instalado en la sala de reuniones es adecuado para llevar a cabo una reunión?

Alternativas Cantidad Porcentaje

Si

18

69.23 %

No

8

30.77 %

Total

26

100 %

Tabla 9: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 2.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

94

Si la respuesta en la pregunta 2 es “Sí”, seleccione ¿qué tan adecuado lo considera?

Alternativas

Cantidad Porcentaje

Poco adecuado

0

0,00 %

Adecuado

18

69,23 %

Muy adecuado

0

0,00 %

Total

18

69,23 %

Tabla 10: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 2, opción Sí.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD

Porcentaje POCO ADECUADO 0% No 30,77%

Si 69,23%

ADECUADO 69% MUY ADECUADO 0%

Gráfico 2: Representación porcentual de los datos de la pregunta 2.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

95

Interpretación: De acuerdo a los resultados obtenidos en la encuesta, ver Tabla 9, el 30,77% de los usuarios consideran que el sistema de iluminación actual instalado en la sala de reuniones no es adecuado para llevar a cabo una reunión, mientras que el 69,23 % consideran que el sistema actual es adecuado, ver Tabla 10.

Análisis: Con los valores obtenidos se puede determinar que la mayoría de usuarios están conformes con el sistema de iluminación actual, sin embargo no lo consideran muy adecuado para el desarrollo de una reunión, lo cual incide en la importancia de mejorar el sistema de iluminación para obtener la satisfacción completa de los usuarios.

Pregunta 3: Cuando se lleva a cabo una exposición en la sala de reuniones es necesario manipular cada luminaria de acuerdo a las necesidades de iluminación. ¿Considera usted que esta actividad provoca pérdidas de tiempo o desconcentraciones en los asistentes a la sala de reuniones?

Alternativas Cantidad Porcentaje

Si

15

57,69 %

No

9

34,62 %

Sin respuesta

2

7,69%

Total

26

100 %

Tabla 11: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 3.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD

96

Si la respuesta en la pregunta 3 es “Sí”, seleccione el grado de incomodidad producido durante la actividad.

Alternativas

Cantidad Porcentaje

Poco incómodo

4

15,38 %

Incómodo

11

42,31 %

Muy incómodo

0

0,00 %

Total

15

57,69 %

Tabla 12: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 3, opción Sí.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD

Porcentaje Sin respuesta 7,69% POCO INCOMODO 15,38% NO 34,62%

Si 57,69%

INCOMODO 42,31% MUY INCOMODO 0,00%

Gráfico 3: Representación porcentual de los datos de la pregunta 3.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

97

Interpretación: Los resultados obtenidos en la Tabla 11, demuestran que el 34,62% de los usuarios consideran a la manipulación de luminarias una actividad que no provoca pérdidas de tiempo o desconcentraciones durante una reunión, por otro lado el 7,69% no se pronunciaron al respecto, y del 57,69% que opinan que la actividad provoca pérdida de tiempo o desconcentraciones, ver Tabla 12, el 15,38% lo califican como poco incómodo mientras que el 42,31% lo consideran incómodo.

Análisis: De la información obtenida se puede concluir que la manipulación de luminarias durante una reunión es considerada por más de la mitad de los usuarios como una actividad incómoda que provoca desconcentraciones o pérdidas de tiempo, por esta razón es necesario mejorar la forma como se realiza esta actividad para conseguir que las reuniones se lleven a cabo de manera fluida y sin distracciones.

Pregunta 4: ¿Considera usted que es importante apagar las luces de la sala de reuniones cuando ya no se requiere su uso?

Alternativas Cantidad Porcentaje

Si

26

100%

No

0

0%

Total

26

100 %

Tabla 13: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 4.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

98

Si la respuesta en la pregunta 4 es “Sí”, seleccione el grado de importancia de acuerdo a su criterio.

Alternativas

Cantidad Porcentaje

Poco importante

0

0,00 %

Importante

10

38,46 %

Muy importante

16

61,54 %

Total

26

100 %

Tabla 14: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 4, opción Sí.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

Porcentaje POCO IMPORTANTE 0,00% IMPORTANTE 38,46% NO 0,00%

Si 100%

MUY IMPORTANTE 61,54%

Gráfico 4: Representación porcentual de los datos de la pregunta 4.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

99

Interpretación: De los resultados obtenidos en la encuesta, ver Tabla 13, el 100% de los usuarios encuestados consideran que es necesario apagar las luces de la sala al finalizar una reunión. De este total el 38,46% lo califican como importante y el 61,54% como muy importante, ver Tabla 14.

Análisis: Todos los usuarios encuestados según los datos obtenidos determinan claramente la importancia que tiene apagar las luces de la sala después de realizarse una reunión.

Pregunta 5: ¿Con qué frecuencia al término o inicio de una reunión ha detectado que las luminarias de la sala de reuniones están encendidas innecesariamente?

Alternativas

Cantidad Porcentaje

Nunca

11

42,30 %

Pocas veces

14

53,85 %

Siempre

1

3,85 %

Total

26

100 %

Tabla 15: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 5.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

100

Porcentaje 3,85%

42,30% Nunca 53,85%

Pocas veces siempre

Gráfico 5: Representación porcentual de los datos de la pregunta 5.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD. Interpretación: De la encuesta realizada a los usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, ver Tabla 15, el 42,3% nunca ha encontrado las luminarias encendidas innecesariamente al término o inició de una reunión, el 53,85 % han percibido esta situación algunas veces y el 3,85% siempre han detectado las luminarias encendidas.

Análisis: De acuerdo a los porcentajes obtenidos concluimos que más de la mitad de los encuestados

han

innecesariamente.

encontrado

las

luces

de

la

sala

de

reuniones

encendidas

101

Pregunta 6: ¿Considera usted que el dejar las luces encendidas al término de una reunión provoca gastos innecesarios de energía y por ende gastos económicos?

Alternativas Cantidad Porcentaje

Si

25

96,15 %

No

1

3,85 %

Total

26

100 %

Tabla 16: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 6.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD

Porcentaje 3,85%

SI NO 96,15%

Gráfico 6: Representación porcentual de los datos de la pregunta 6.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

102

Interpretación: El 3,85% de los usuarios de acuerdo a la

encuesta, ver Tabla 16,

determinan que dejar las luces encendidas al término de una reunión no provoca gastos de energía eléctrica, ni gastos económicos; mientras que el 96,15% creen que esta situación provoca gastos económicos y energéticos.

Análisis: En base a los resultados es evidente que la mayoría de los usuarios están conscientes de los gastos que se generan al dejar las luces encendidas al término de una reunión.

Pregunta 7: ¿Le gustaría que la sala de reuniones cuente con un sistema automatizado de luces en el cual no sea necesario el control del interruptor por parte del usuario para encender o apagar las luminarias al inicio o fin de una reunión y por ende ahorrar energía y dinero?

Alternativas Cantidad Porcentaje

Si

22

84,62%

No

4

15,38%

Total

26

100 %

Tabla 17: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 7.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD

103

Si la respuesta en la pregunta 7 es “Sí”, seleccione el grado de importancia de acuerdo a su criterio.

Alternativas

Cantidad Porcentaje

Poco importante

0

0,00 %

Importante

10

38,46 %

Muy importante

12

46,16 %

Total

22

84,62 %

Tabla 18: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 7, opción Sí.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

Porcentaje Poco importante 0,00% Importante 38,46% NO 15,38%

Sí 84,62% Muy importante 46,16%

Gráfico 7: Representación porcentual de los datos de la pregunta 7.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

104

Interpretación: De acuerdo a la encuesta realizada en la pregunta 7, ver Tabla 17, el 15.38% de los usuarios no creen necesaria la instalación de un sistema de iluminación automatizado, y del 86,62% que consideran que es necesario, el 38,46% piensan que es importante y el 46.16% opinan que es muy importante, ver Tabla 18.

Análisis: A pesar de que una pequeña parte de los usuarios encuestados no consideran importante un sistema automatizado de luces en la sala de reuniones, existe una mayoría que determina la importancia de la automatización de las luminarias con el fin de evitar el control del interruptor al inicio o fin de una reunión y de esta manera ahorrar energía y dinero.

Pregunta 8: ¿Considera usted que es importante monitorear la temperatura ambiente de la sala de reuniones para proceder a encender el ventilador cuando realmente sea necesario?

Alternativas Cantidad Porcentaje

Si

24

92,31 %

No

2

7,69 %

Total

26

100 %

Tabla 19: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 8.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD

105

Si la respuesta en la pregunta 8 es “Sí”, seleccione el grado de importancia de acuerdo a su criterio.

Alternativas

Cantidad Porcentaje

Poco importante

0

0,00 %

Importante

8

30,77 %

Muy importante

16

61,54 %

Total

24

92,31 %

Tabla 20: Tabulación de los datos obtenidos de la pregunta 8, opción Sí.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD

Porcentaje POCO IMPORTANTE 0,00% IMPORTANTE 30,77% NO 7,69%

SI 92,31%

MUY IMPORTANTE 61,54%

Gráfico 8: Representación porcentual de los datos de la pregunta 8.

Fuente: Usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

106

Interpretación: De los resultados obtenidos en la encuesta, ver Tabla 19, el 7,69% no consideran importante monitorear la temperatura ambiente de la sala de reuniones, y del 92,31% que determinan necesaria esta tarea, ver Tabla 20, el 30,77% estiman que es importante, mientras que el 61,54% creen que es muy importante.

Análisis: Con los valores resultantes se puede concluir que la mayoría de los usuarios opinan que es importante monitorear la temperatura ambiente de la sala de reuniones, con el fin de encender el ventilador cuando realmente es necesario.

3.1.5. Discusión del Resultado de la Encuesta Los resultados de la encuesta nos dieron la pauta para definir con claridad los problemas y necesidades de los usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, la aplicación de la tecnología ZigBee fue la decisión que se tomó a fin de resolver los inconvenientes mencionados por los usuarios en la encuesta.

3.2.

INVESTIGACIÓN DE LA TECNOLOGÍA ZIGBEE APLICADA A LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD

Previo a la investigación se tomaron en cuenta algunos aspectos de la sala de reuniones que serán de relevancia para la aplicación de la red ZigBee, los aspectos son los siguientes: 

Dimensiones de la sala: 8,65 m. de largo por 4,52 m. de ancho.



Numero de luminarias: 8 focos fluorescentes en la sala y 2 externos.



Interruptores: existen dos cajas de interruptores, una de tres funciones que permiten operar un par de luminarias a la vez y otra caja con dos funciones que permite operar dos luminarias a la vez.



Uso de la sala: se realizan reuniones de acuerdo a un horario y un cronograma regular.



Iluminación: la sala tiene dos ventanales que permiten iluminación natural en el día.



Ventilación: cuenta con dos ventiladores y ventilación natural cuando están abiertos los ventanales.

107

En el desarrollo del resultado se utilizó la investigación bibliográfica como metodología en la obtención de información sobre el estándar ZigBee, el método analítico y sintético ayudó en la elaboración del informe sobre el estándar ZigBee aplicado a la sala de reuniones.

3.2.1. Informe de investigación de la tecnología ZigBee aplicada en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD El presente informe destaca cómo funcionará la aplicación de la red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, enfocada al control de luminarias y el monitoreo de temperatura ambiente de la sala.

FUNCIONAMIENTO: 

Existirá dos dispositivos, un transmisor y un receptor cada uno con un módulo XBee.



Se establecerá como topología de red, la topología punto a punto para permitir el flujo de datos en la red.



Los módulos ZigBee estarán configurados en modo sleep, de esta forma permitirá el ahorro de energía en los períodos en que la red ZigBee no esté realizando ninguna actividad.



Se permitirá transmisión full dúplex con dispositivos FFD para el intercambio de datos en doble sentido y al mismo tiempo.



El transmisor estará conformado en su estructura por un módulo ZigBee, un microcontrolador, una pantalla LCD y 5 botones.



En la pantalla LCD se mostrará un menú con las opciones sobre las cuales podrá navegar el usuario para el control de las luminarias y monitoreo de temperatura.



Los botones permitirán el desplazamiento entre las opciones del menú, además contará con un botón de reseteo para establecer la red a su estado inicial.



El transmisor actuará como un control inalámbrico que permitirá al usuario encender o apagar las luminarias, subir o bajar la intensidad de las luces y monitorear la temperatura ambiente.



El receptor mediante un switch encenderá la red o dejará activo el modo manual de los interruptores.

108



El receptor estará conformado en su estructura por sensores que permitirán tomar decisiones sobre la gestión de las luminarias de forma automática y también de acuerdo a las órdenes recibidas del transmisor.



Para el control de la intensidad de las luces el receptor utilizará el método de variación de fase, que se caracteriza por tener niveles máximos y mínimos de intensidad, se usará la técnica del cruce por cero que consiste en detectar las veces que el voltaje es cero en la corriente alterna para así variar la fase y controlar la intensidad de las luminarias.

3.2.2. Discusión del Resultado En la determinación del funcionamiento de la red ZigBee se tomaron en cuenta todas las opciones o posibles casos en los que sería necesaria la intervención de la tecnología ZigBee y otros dispositivos electrónicos para la gestión de la iluminación y el monitoreo de temperatura de la sala, con la finalidad de que el funcionamiento de la red ayude a un mejor desenvolvimiento de los usuarios de la sala durante las reuniones.

3.3.

INVESTIGACION

Y

SELECCIÓN

DE

LOS

DISPOSITIVOS

A

SER

UTILIZADOS EN LA RED ZIGBEE Para realizar la investigación y selección de los dispositivos adecuados a ser utilizados en el desarrollo de la red ZigBee, se recurrió a la investigación bibliográfica como guía en la búsqueda de información relevante para el proyecto, el método analítico y sintético colaboró en la realización del resultado que se expone a continuación.

3.3.1. Investigación y Selección de los Dispositivos 3.3.1.1.

Kits de desarrollo ZigBee

El mercado de dispositivos de baja potencia dispone de varios equipos y kits de desarrollo ZigBee para la construcción de redes inalámbricas de bajo consumo, durante la investigación y selección de los kits de desarrollo ZigBee, se tuvo en consideración los distribuidores más representativos del mercado así como también las características de cada uno de los kits ZigBee ofrecidos por ellos. Dentro de los distintos proveedores de los módulos o kits de

109

desarrollo podemos mencionar a los siguientes: Digi, Freescale, Ember, RFM y Microchip, de los cuales Digi y Freescale son los distribuidores más destacados.

Las características más importantes de cada kit de desarrollo ZigBee están expuestas a continuación en la Tabla 21.

110

KITS DE DESARROLLO ZIGBEE CARACTERISTICAS

EM35X

ZPM3570DK

DM163027

MC13201

XB24-PDK

Ember

RFM

Microchip

Freescale

Digi

-27 dBm to +4 dBm

1 mW / 60 mW (0 dBm a +18 dBm)

300 metros

100 metros

250 Kbps 2.0 - 3.4 V

250 Kbps 2.8 - 3.4 V

Presentación física Fabricante Transmisión de Potencia

7dBm

Alcance máximo

150 metros

Velocidad de datos Voltaje de alimentación Frecuencia Topologías de red soportadas

250 Kbps 3.3V±0.3V

# de dispositivos que incluye el kit Precio

100 m -94 dBm a +5dBm W (-103 dBm + 20 dBm) No disponible No disponible 250 Kbps 3,3 – 5.5 V

250 Kbps 2.4 - 3.6 V

2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz punto a punto, punto a punto, punto a punto, punto a punto, punto a punto, punto a multipunto punto a multipunto punto a multipunto punto a multipunto punto a multipunto y malla y malla y malla y malla y malla 3 módulos

2 módulos

2 módulos

2 módulos

5 módulos

$ 2500

$ 199

$ 250

$ 1000

$ 420

Tabla 21: Kits de desarrollo ZigBee. Fuente: Elaborado por los autores.

111

De acuerdo a las características de los kits de desarrollo ZigBee dadas a conocer en la Tabla 21, todos los kits citados poseen igual velocidad de datos (250 kbps), frecuencia (2,4 GHz) y soportan las mismas topologías de red (punto a punto, punto a multipunto y malla), las diferencias entre ellos, radican en la transmisión de potencia, voltaje de alimentación, alcance máximo, número de dispositivos que incluyen el kit y el costo.

Tomando en cuenta estos datos y debido a que la red ZigBee se instalará en un espacio cerrado y pequeño (sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD), se seleccionó y adquirió el kit de desarrollo ZigBee XB24-PDK de MaxStream del distribuidor Digi, ver anexo 6, por tener una transmisión de potencia

de -27dBm a +4dBm, un

alcance máximo de 100 m, características consideradas como adecuadas para lograr una comunicación y transmisión de información exitosa entre los dispositivos que integrasen la red, además de estas características, el kit XB24-PDK incluye una mayor cantidad de dispositivos, ver Anexo 7, a un costo reducido en comparación con los otros kits, dicha particularidad permitirá tener equipos de repuesto en el caso de algún daño producido por factores externos o internos durante el desarrollo de la aplicación.

3.3.1.2.

Microcontroladores

Se consideró utilizar microcontroladores de 8 bits, debido a que los módulos que incluye el kit de desarrollo ZigBee XB24-PDK, reciben direcciones mínimo de 8 bits, además se desperdiciarían recursos si se utilizarán microcontroladores de 16 o 32 bits, ya que la información que se transmitirá entre los módulos y microcontroladores será igual a 1 byte.

Existen varias familias de microcontroladores que difieren entre sí por la arquitectura, software, velocidad, costos y otras características, de todo este grupo, dos familias de microcontroladores de 8 bits han tomado mayor importancia en el desarrollo de equipos electrónicos, los PIC y los AVR. La Tabla 22, muestra a continuación las características ofrecidas por cada familia de microcontroladores.

112

MICROCONTROLADORES CARACTERISTICAS Fabricante Microcontrolador

más

usado

PIC

AVR

Microchip Technology Inc.

Atmel

PIC12C508/509

ATMEGA8

Harvard

Super Harvard

4

1

16 MIPS (Millones de

20 MIPS (Millones de

Arquitectura Ciclos

de

reloj

por

segundo para ejecutar una instrucción Velocidades máximas por segundo

instrucciones por segundo) instrucciones por segundo) )

Lenguaje soportado

Ensamblador, C , C++ y Basic

Ensamblador, C , C++ y Basic

Mayor

Menor

$ 20

$ 10

Potencia o consumo de energía Costo

Tabla 22: Microcontroladores PIC y AVR. Fuente: Elaborado por los autores.

De acuerdo a las características de los microcontroladores PIC y AVR mencionadas en la Tabla 22, se seleccionó el microcontrolador ATMEGA8 de la familia AVR de Atmel que posee una arquitectura denominada Super Harvard, como componente participante en el desarrollo de la aplicación de la Red ZigBee. El microcontrolador ATMEGA8 es uno de los microcontroladores más usados en el desarrollo de aplicaciones que realizan tareas precisas con consumo reducido, a diferencia del microcontrolador PIC, al ejecutar una instrucción por cada ciclo de reloj en un segundo y al alcanzar velocidades de 20 millones de instrucciones por segundo, permitirá que el sistema trabaje de manera rápida y eficiente, además facilitará la programación del microcontrolador al soportar compiladores de lenguaje de alto nivel.

Dado estás características y debido a que el sistema a instalarse pretende colaborar en el ahorro energético de la sala de reuniones, se consideró idóneo el uso del microcontrolador ATMEGA8.

El microcontrolador ATMEGA8 consta de las siguientes características principales: 

Memoria Flash de 8 Kbytes

113



Memoria EPROM de 512 bytes incorporado, útil para el almacenamiento de variables.



Memoria RAM de 1 Kbyte



Voltaje de funcionamiento de 4,5 V – 5,5 V



Niveles de velocidad de 0 - 16 MHz que se adaptan a la necesidad del usuario.



Soporta osciladores de cristal, recomendables para la comunicación (1 -20) MHz



Puertos TX (transmisor) y RX(Receptor) que trabajan con el protocolo RS232



Rata o velocidad de transmisión de 9600bps.

A continuación la Figura 44 muestra el diagrama de pines del

microcontrolador

Atmega8.

Figura 44: Diagrama de pines del microcontrolador ATMEGA8.

Fuente: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/atmel/2486S.pdf

3.3.1.3.

Sensores de Temperatura

El mercado electrónico ofrece una gran variedad de sensores de temperatura como termopares, resistivos y semiconductores, que son utilizados de acuerdo a la aplicación que se está realizando. La Tabla 23 muestra los sensores de temperatura disponibles en el mercado y sus características.

114

Sensores de Temperatura Características

DS18B20

LM335az

Termistor

LM35

PT100

Rango de

-10 a

-40 a

-45 a

-55 a

0a

temperatura

85°C

100°C

125°C

150°C

400 °C

± 0.5°C

10 mv/k°

± 0.3°C

1°C

± 0.5°C

Sí

Sí

Sí

Sí

Sí

Digital

Analógica

Analógica

Analógica

Analógico

Presentación física.

Precisión Amplificación de señal

Salida

Costo

interface

salida

1 – wire

lineal

$ 12,52

$ 6,12

$4

$ 2,50

$ 50

Tabla 23: Sensores de Temperatura en el mercado.

Fuente: Elaborado por los autores.

De acuerdo a las características de los sensores mostradas en la Tabla 26, todos los sensores son capaces de monitorear la temperatura ambiente de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, el uso de cualquiera de ellos en la aplicación de la red ZigBee se considera apta para el funcionamiento del sistema, sin embargo la información sobre las características o aplicaciones desarrolladas de cada uno de ellos se encuentra en menor o mayor cantidad en la web y en textos, dado que existe mayor información o aplicaciones desarrolladas con el sensor LM35 disponible al público de manera gratuita en la web, se seleccionó el sensor LM35, con rango de temperatura de 55ºC a 150ºC, precisión de 1ºC, con salida lineal de tipo analógico, y costo de $ 2,50, considerado como idóneo para censar la temperatura en la sala.

3.3.1.4.

Sensores de Movimiento

Existe gran diversidad de sensores de movimiento en el mercado de tipo ultrasónico o infrarrojo que varían de acuerdo a las características de voltaje y otros componentes incorporados como cámaras, alarmas para ambientes internos y externos, utilizados de acuerdo a las necesidades de cada proyecto.

115

La Tabla 24, da a conocer algunos modelos de sensores disponibles en el mercado y sus características técnicas.

SENSORES DE MOVIMIENTO Características

PIR-360C

GLD-324T

LX28

LX36B

LX21B&C

Si

Si

Si

Si

Si

Para techo

Para pared

Para pared

Presentación física Detector presencia I.R pasivo

Para techo Para techo y superficie y superficie

Forma de instalación Campo de detección Velocidad de detección de movimiento Distancia de detección Ajustable Alimentación Temperatura de trabajo Costo

360º

360º

360º

220º

180º

0.6 y 1.5m/seg.

0.6 y 1.5m/seg.

0.6 y 1.5m/seg.

0.6 y 1.5m/seg.

0.6 y 1.5m/seg.

Max. 13

Max. 13

Max. 12

Max. 15

Max. 9

metros

metros

metros

metros

metros

12 VDC 20 y +400ºC $ 60.04

24 VDC 20 y +400ºC $ 45.24

100V/AC 20 y +400ºC $ 36

130V/AC 20 y +400ºC $ 22.99

100V/AC 20 y +400ºC $ 16

Tabla 24: Sensores de movimiento en el mercado.

Fuente: http://dspace.espe.edu.ec/bitstream/21000/3366/1/T-ESPEL-0528.pdf De acuerdo a la aplicación a desarrollarse se escogió el sensor de movimiento LX21B&C, por poseer una estructura física que permite ser instalado en la pared, cerca de la puerta de entrada de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, detectando la presencia del usuario que ingresa a la sala en un rango de 180º, posee una velocidad de detección de movimiento de 0.6 y 1.5 m/s, cubre una distancia de detección máxima de 9 metros, considerada adecuada de acuerdo a las dimensiones de la sala de reuniones (4.52 m., 8.65 m.), y un costo de $ 16; todas las características mencionadas se ajustan a las necesidades de la aplicación de la red ZigBee.

116

3.3.1.5.

Sensor de Luz

Existen varios sensores de luz disponibles en el mercado, la Tabla 25 muestra las características de algunos de ellos.

Sensores de Luz Características

LDR 720

Fast Light Sensor

LRD

53mm x 44mm x 22mm

12 mm

12 mm

12 Vcc

No especifica

12 Vcc

0-99 Lux

0 a 1000 Lux

0 a 100 Lux

Diseño 61.12 $

Plug and Play 39 $

Diseño 1$

Presentación física

Medidas Alimentación Medida relativa de luz Modo de uso Precio

Tabla 25: Sensores de Luz en el mercado.

Fuente: Elaborado por los autores.

De acuerdo a los datos mostrados en la Tabla 25, y dado que

la aplicación a

desarrollarse requerirá dispositivos que puedan ser incorporados al diseño del circuito electrónico, se seleccionó el sensor LRD 12 mm, con alimentación de 12 Vcc y medida relativa de luz 0 a 100 lux70, con un costo de 1 $, por detectar la existencia o ausencia de luz en la sala de reuniones a plena luz del día o en total oscuridad, además por poseer un costo económico en relación al sensor LDR 720.

3.3.1.6.

Display Cristal Líquido 16 x 4

EL mercado de componentes electrónicos ofrece una variedad de displays LCD que varían de acuerdo al número de línea (1 a 4), el número de caracteres (8, 16, 20, 40) soportado por línea, colores del display y si disponen o no de un retroiluminador incorporado.

70

Unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades para la iluminancia o nivel de iluminación

117

Seleccionamos el Display Cristal Líquido 16 x 4, con un costo de $ 15, como componente a formar parte de la aplicación de la red ZigBee, debido a que el menú de opciones que mostrará el dispositivo transmisor requerirá 4 líneas y 16 caracteres, ver Figura 45.

Figura 45: Display LCD de 16 x 4.

Fuente: www.carrodelectronica.com/store/index.php?_a=viewProd&productId=13204

3.3.1.7.

Regulador de voltaje 7805

Entre los reguladores de voltaje lineales o de salida fija encontramos la familia LM78xx, donde “xx” representa el voltaje de salida que varía desde los 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24V, cada uno de los mencionados entrega una corriente máxima de 1 Ampere71 y soporta consumos pico de hasta 2.2 Amperes.

El regulador 7805 fue seleccionado por la necesidad de un voltaje de salida de 5V para que funcione el microcontrolador ATMEGA8 en el circuito, con un costo de $ 4, ver Figura 46.

Figura 46: Regulador de voltaje 7805.

Fuente: http://taller.tagabot.org/index.php/Arduino/Armada Las características del regulador de voltaje 7805 son las siguientes: 

71

Voltaje de entrada: 35 – 40 V

Unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica y que es igual a la cantidad de carga que circula por un conductor en una unidad de tiempo .

118



Voltaje de salida: 5V



Disipación de energía: 20.8 W



Temperatura de operación de salida: -30 °C a +150 °C



Temperatura de almacenamiento: -55 °C a +150 °C

3.3.1.8.

Moc3011

Para interactuar entre los controles electrónicos, triacs de potencia y poder controlar cargas resistivas e inductivas que puedan trabajar a 110 VAC72 se seleccionó el optoacoplador MOC3011, con un costo de $2, ver Figura 47, con las siguientes características: 

Requiere entradas de poca intensidad (5mA)



Alto voltaje de aislamiento (min 7500VAC en el pico).

Figura 47: Moc3011.

Fuente: http://suconel.com/t_suconel/info_producto.asp?cod_product=17343

3.3.1.9.

Resistencias

Se seleccionaron resistencias de 330 ohmios, 200 ohmios, 6,8 ohmios, 4,7 ohmios, y 100 ohmios, cada una con un costo de $ 0.10, los valores de las resistencias fueron determinados durante el diseño electrónico del circuito transmisor y receptor del sistema, ver Figura 48.

72

Siglas en ingles de Volts Alternating Current que significa Voltaje de Corriente Alterna

119

Figura 48: Resistencias.

Fuente: Elaborado por los autores.

3.3.2. Discusión del Resultado La selección de los dispositivos apropiados para la Red ZigBee fueron determinados tomando en cuenta básicamente las capacidades que puedan garantizar la efectividad de la aplicación y el ahorro de energía.

3.4.

CREACION DEL PROTOTIPO DE LA RED ZIGBEE Y PRUEBAS DE SU FUNCIONAMIENTO

La creación del prototipo de la red ZigBee se realizó en las siguientes fases: el diseño de la red ZigBee, la construcción y configuración del prototipo de la red, y las pruebas de funcionamiento del prototipo de la red ZigBee, para ello se tomó como guía metodológica el método experimental.

3.4.1. Diseño de la Red ZigBee 3.4.1.1.

Descripción de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD

La sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD tiene un área de 39.098 m2 (4.52, 8.65), y consta de un espacio cerrado sin divisiones internas. Este espacio constituye el medio de comunicación entre el dispositivo inalámbrico emisor y receptor de la red ZigBee, ver Figura 49.

120

8,65

4,52 m

Figura 49: Sala de reuniones – Planta alta.

Fuente: Elaborado por los autores.

La sala de reuniones está compuesta por 8 lámparas incandescentes (grupo a y grupo b) y dos pares de switch (Sa, Sb), que encienden o apagan las luminarias. Ver Figura 50.

Dado que la aplicación de la red ZigBee en la sala controla las luminarias se necesitó conocer el funcionamiento de las luces para su modificación.

Figura 50: Sala de reuniones – Instalaciones eléctricas de luces.

Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.1.2.

Topología del diseño de la red ZigBee

Para la selección de la topología se tomó en cuenta los datos que se transmitirán y el área de la sala de reuniones. En cuanto a los datos, el flujo de información a transmitirse

121

en la red será de 8 bits, para ello se necesitará un dispositivo receptor y un dispositivo transmisor que se comunicarán inalámbricamente, el receptor gestionará las luminarias de la sala en base a las instrucciones recibidas por parte del dispositivo transmisor móvil que será manejado por el usuario; con respecto a la sala, es un espacio pequeño y cerrado sin elementos que interrumpan la transmisión, de acuerdo a lo descrito anteriormente, la topología elegida para la Red ZigBee fue punto a punto, la misma permitirá que se envíe y reciba información entre el nodo transmisor y receptor de la red, ver Figura 51.

Figura 51: Topología punto a punto de la red ZigBee. Fuente: http://www.mastec.co.nz/Digi/Digi%20Sale.html

3.4.1.3.

Velocidad de transmisión de la Red ZigBee

Las redes ZigBee no necesitan velocidades de transmisión altas, ya que no han sido diseñadas para transmitir grandes flujos de información, los módulos se caracterizan por encontrarse en reposo o stand by la mayor parte del tiempo, la velocidad de transmisión por defecto establecida para la comunicación entre dispositivos ZigBee es de 9600bps, sin embargo de acuerdo al estándar ZigBee la velocidad máxima puede llegar a los 250 kbps. Para la comunicación de los dispositivos de la Red ZigBee aplicada en la sala de reuniones se consideró la velocidad de transmisión que se establece por defecto.

3.4.1.4.

Modo de transmisión

El modo de transmisión utilizado es Full dúplex, consiste en una transmisión de datos en doble sentido y al mismo tiempo por medio de frecuencias de radio, es decir que mientras el transmisor enviará los datos de las preferencias del usuario en cuanto a la iluminación, el receptor también estará enviando al transmisor los datos obtenidos por el sensor de temperatura para luego mostrarlos en pantalla.

122

3.4.1.5.

Modos de operación de los módulos XBee / XBee-Pro

Los módulos ZigBee por defecto vienen configurados para trabajar en modo transparente y es así como se utilizó en la red ZigBee; cuando los dispositivos operan en modo transparente actúan como una línea serial típica, esto quiere decir que cuando un módulo recibe un dato UART73 en el pin DI74, el dato es colocado en la cola para su transmisión RF75, si el dato no puede ser transmitido inmediatamente es almacenado en el búfer DI hasta que pueda ser enviado. Por otro lado, cuando un módulo recibe un dato RF lo transmite hacia fuera a través del pin DO76.

3.4.1.6.

Diagramas de bloques de los dispositivos transmisor y receptor

La red ZigBee está integrada por dos partes principales: un equipo transmisor y un equipo receptor.

El transmisor, está conformado por un microcontrolador, un módulo XBee, una batería de 9V que alimenta el circuito, la pantalla LCD y los botones que permiten navegar por las opciones que se mostrarán en la pantalla; la opción 1 permitirá el encendido o apagado general de las luminarias, con la opción 2 se controlará el nivel de intensidad de las luces, con la opción 3 se comprobará que se encuentra activo el sensor de luz y con la opción 4 el transmisor se convertirá en receptor para mostrar en el LCD la temperatura ambiente en °C, ver Figura 52.

73

Siglas en inglés de Universal Asynchronous Receiver-Transmitter: Chip de ciertos sistemas digitales cuyo principal objetivo es convertir los datos recibidos en forma paralela, a forma serial, con el fin de comunicarse con otro sistema externo. También realiza el proceso inverso y son programables.

74 Siglas en inglés de Data in (Entrada de datos).

75 Siglas de radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o RF 76 Siglas en inglés de Data out (Salida de datos).

123

9V DC

LCD

Datos Salida

MÓDULO XBEE/XBEE PRO

Tx Rx

Datos Entrada

MICROCONTROLADOR ATEMEGA8

Pulsos

B1 B3

B5

B4

B2

Figura 52: Diagrama del bloque del equipo transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

El receptor, está formado por los siguientes componentes; un triac, un moc3010, un sensor de movimiento, un sensor de temperatura, un sensor de luz (fotorresistor), 4 fototransistores, un

microcontrolador y un módulo XBee. El receptor de acuerdo al

comando que recibe de las opciones del transmisor ejecuta lo siguiente, controla el encendido/apagado de las luces mediante el Triac, la intensidad de las luminarias mediante el método de variación de fase en conjunto con el Triac, en el modo automático toma decisiones conforme al estado de los sensores de movimiento y de luz para proceder al encendido o apagado de las luminarias, y en el monitoreo de temperatura el receptor pasa a ser transmisor enviando el nivel de temperatura ambiente que indica el sensor de temperatura, ver Figura 53.

124

SENSOR TEMPERATURA

Datos de Temperatura

Pulso 5V

MOC 3010

MICROCONTROLADOR ATEMEGA8

Pulsos

SENSOR FOTOTRANSISTOR

Activa

SENSORES LUZ Y MOVIMIENTO

Tx Rx

110 V

TRIAC

MÓDULO XBEE/XBEE PRO

110 V

FOCOS

Figura 53: Diagrama del bloque del equipo receptor.

Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.1.7.

Proteus

Es una herramienta software de simulación de alto desempeño con capacidades gráficas que permiten la simulación de circuitos electrónicos con microcontroladores de varios tipos. Esta herramienta es capaz de realizar análisis del diseño del circuito completo, enfocado hacia todos los componentes del montaje y no solo hacia el microcontrolador.

Presenta una filosofía de trabajo que consiste en arrastrar componentes de una barra e incrustarlos en la aplicación, ver Figura 54.

125

Figura 54: Entorno de trabajo del Software PROTEUS Fuente: http://www.frino.com.ar/proteus.htm

3.4.1.7.1.

Diseño del circuito transmisor

Se usó la herramienta de diagramación del programa Proteus “ISIS” para el diseño del circuito del dispositivo transmisor, ver Figura 55.

126

Figura 55: Diagrama del circuito transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.1.7.2.

Diseño del circuito receptor

Se usó la herramienta de diagramación del programa Proteus “ISIS” para el diseño del circuito del dispositivo receptor, ver Figura 56.

127

Figura 56: Diagrama del circuito receptor.

Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.2. Configuración y construcción del prototipo de la red ZigBee 3.4.2.1.

3.4.2.1.1.

Introducción a la Configuración de los módulos ZigBee Módulos RF versión OEM XBee / XBee-Pro

Los módulos de RF ZigBee™/802.15.4 versión OEM fabricados por MaxStream, vienen incluidos en el kit de desarrollo XB24-PDK, son dispositivos fáciles de usar y las versiones OEM y sus integradores puedan cubrir mayores extensiones de campo usando pocos dispositivos, ver Figura 57.

128

Figura 57: Módulos XBee / XBee-PRo Fuente: datasheet_XBee_OEM_RF-Modules-Espanol Las especificaciones, dimensiones y asignaciones de pines de los módulos XBee/XBee Pro están contenidas en el Anexo 8.

Los módulos XBee/XBee-Pro pueden ser configurados a través de las placas de desarrollo RS232, o las placas de desarrollo USB, ver Figura 58.

Figura 58: Placa de desarrollo RS232 (Izquierda), Placa de desarrollo USB (Derecha).

Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.2.1.2. Protocolo de comunicación RS232 El protocolo de comunicación RS232 fue creado para los puertos de comunicación serial DB-25 de 25 pines, define la interfaz mecánica, los pines, las señales y cumple con los siguientes niveles de voltaje, para un 1 lógico entre -5V y -15V en el transmisor y entre 3V y -25V en el receptor, para un 0 lógico entre 5V y 15V en el transmisor y entre 3V y 25V en el receptor. Ver Figura 59.

129

Figura 59: Placa de desarrollo RS232.

Fuente: Manual de los módulos XBee/XBee Pro. Como se muestra en la Figura 59 la placa de desarrollo RS232 está formada en la parte frontal por el switch para resetear el módulo, un led amarillo que representa la salida de datos serial, un led verde que representa la entrada de datos serial, un led rojo que funciona como indicador de potencia, un puerto serial DB-9, los led´s RSSI, que indican el margen actual de la conexión inalámbrica activa, en donde, 3 led´s encendidos significan que la señal es fuerte, 2 led´s representan señal intensa, 1 led señal moderada y 0 led señal débil y por último el conector de poder a través del cual se transmite la energía.

La Figura 60 muestra los pines de un conector DB-9, la descripción de cada uno de ellos incluido su implementación están explicados en la Tabla 26.

Figura 60: Pines usados en el conector serial hembra RS232.

Fuente: Manual de los módulos XBee/XBee Pro.

130

# Pin

RS-232

Descripción

Implementación

1

DCD

Datos de detección de

Conectada a DSR (pin 6)

portadora 2

RXD

Recibir Datos

Datos serial saliendo al modulo ensamblado al host

3

TXD

Transmitir Datos

Datos serial entrando al modulo ensamblado del host

4

DTR

Terminal de datos

Se puede habilitar la baja de energía

preparado

en el modulo ensamblado

5

GND

Señal de Tierra

Tierra

6

DSR

Conjunto de datos

Conectada a DCD (pin 1)

preparado 7

RTS/CMD

Solicitud de envió/Modo

Permite el control de flujo RTS o el

de comandos

modo comando

8

CTS

Listo para enviar

Permite el control del flujo CTS

9

RI

Indicador de llamada

Entrada de alimentación opcional que se conecta internamente al cable positivo del conector de alimentación frontal

Tabla 26: Asignación de pines del puerto DB-9 de la placa de desarrollo RS-232.

Fuente: Manual de los módulos XBee/XBee Pro.

3.4.2.1.3.

Protocolo de comunicaciones USB

USB (Universal Serial Bus) Conductor universal en serie, es un sistema de comunicación entre dispositivos electrónicos-informáticos. El USB es un bus punto a punto entre un hub o PC hacia un periférico u otro hub, puede trabajar a baja y alta velocidad (1,5 – 12 Mbps). El USB se compacta en un cable de cuatro hilos, dos para datos y dos para alimentación, ver Figura 61.

131

Figura 61: Vista frontal de la placa de desarrollo USB. Fuente: Manual de los módulos XBee/XBee Pro. En la Figura 61 la placa de desarrollo USB tiene las siguientes partes, los led´s indican la actividad del módulo, el amarillo representa la salida de datos serial, el verde representa la entrada serial de datos y el rojo es el indicador de potencia. Los Led´s RSSI indican la cantidad de señal en una conexión inalámbrica activa, 3 led´s significa señal fuerte, 2 led´s señal intensa, 1 led señal moderada y 0 led señal débil, finalmente el puerto USB utilizado

para transmitir energía y configurar

el módulo. La Tabla 27 describe la

distribución de los pines del puerto USB. # Pin

Nombre

Descripción

Implementación

1

VBUS

Poder

Poder del módulo

2

D-

Los datos transmitidos y

Transmitir datos hacia y desde el

recibidos

módulo de RF

Los datos transmitidos y

Transmitir datos hacia y desde el

recibidos

módulo de RF

Señal de Tierra

Tierra

3

D+

4

GND

Tabla 27: Asignación de pines del puerto USB de la placa de desarrollo USB. Fuente: Manual de los módulos XBee/XBee Pro.

3.4.2.2.

Ensamblaje de los módulos ZigBee

Se procedió inicialmente a ensamblar los módulos en las placas de desarrollo, mediante el protocolo de comunicación RS232 o el protocolo USB, ver Figura 62, más tarde se

132

conectaron cada una de las tarjetas a la PC, ver Figura 63, para después configurar los módulos mediante el software X-CTU.

Figura 62: Ensamblaje del módulo XBee a la tarjeta de interfaz RS232 y USB Fuente: Elaborado por los autores.

Figura 63: Conexión de la PC con la placa de desarrollo mediante el cable USB. Fuente: Guía de inicio rápido de los módulos XBee/Xbee Pro.

3.4.2.3.

Software X-CTU

Una vez que se realizó el montaje de los módulos de RF sobre la placa de desarrollo USB y se conectó la placa de desarrollo al puerto USB de la PC, se procedió a instalar el driver del módulo para que lo reconozca la PC, hecho esto se procedió con la configuración mediante el software X-CTU.

133

X-CTU es un software proporcionado por el proveedor de tecnología inalámbrica ZigBee, MaxStream, se utiliza para configurar los módulos de RF de ZigBee. La aplicación del software está distribuido en 4 pestañas, PC Settings, Range test, Terminal, Modem Configuration.

3.4.2.3.1. PC Settings La pestaña PC Settings o en idioma español Configuración de la PC, brinda información que permite configurar los puertos serie de la PC para realizar la conexión con un módulo de RF de ZigBee. Es necesario verificar la configuración del baudio y la paridad en el puerto COM correspondiente al módulo de RF para conectarse exitosamente, Maxstream recomienda establecer el valor del parámetro BD a su valor por defecto de 9600 bps.

Durante la ejecución de software X-CTU, en la pestaña PC Settings se mostraron los puertos COM a los que se encontraba conectada la PC, se escogió el puerto identificado como Digi PKG-U Serial Port Adap (COM 6), ver Figura 64.

Figura 64: Puerto de comunicación Digi PKG-U. Fuente: Elaborado por los autores.

134

Se estableció los parámetros, Baud a 9600 y Data Bit a 8 para habilitar la comunicación entre el módulo ZigBee y la PC a través del puerto serial seleccionado, después de ello, se presionó el botón Test / Query para comprobar la comunicación con el módulo, ver Figura 65.

Figura 65: Test para verificar la comunicación con el módulo ZigBee. Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.2.3.2. Range Test La pestaña Range Test o en idioma español Prueba de rango realiza la prueba del rango de los módulos de RF y monitorea los paquetes enviados y recibidos durante la transmisión.

En la pestaña Range Test se presionó el botón Start para realizar la prueba de rango de los módulos y monitorear los paquetes enviados y recibidos durante la transmisión. La Figura 66 muestra los paquetes enviados y recibidos durante la transmisión.

135

Figura 66: Test para verificar la comunicación con el módulo ZigBee. Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.2.3.3. Modem Configuration La pestaña Modem Configuration o en idioma español Configuración de módem establece y lee los parámetros del módulo de RF, en esta pestaña se configuran los parámetros de cada módulo para que puedan comunicarse, enviar y recibir paquetes en la red ZigBee. Para que dos módulos se comuniquen utilizando direcciones cortas (8 bits, 16 bits) o largas (64 bits), la dirección de destino del dispositivo transmisor DL77 debe ser la misma que el parámetro MY78 del dispositivo receptor.

En la pestaña Modem Configuration se presionó el botón Read para leer el firmware que tiene el modulo, la Figura 67 muestra la información contenida en el mismo.

77 78

Comando que estable la dirección de destino de un módulo XBee/XBee-pro.

Comando que estable la dirección de origen de un módulo XBee/XBee-pro.

136

Figura 67: Parรกmetros del firmware del mรณdulo X-Bee Fuente: Elaborado por los autores Para permitir que los mรณdulos trabajen en la topologรญa punto a punto en una red unicast con direcciones de 8 bits se configuraron los siguientes parรกmetros, ver Tabla 28.

Parรกmetro

Mรณdulo RF 1 Mรณdulo RF 2

MY (Direcciรณn de Origen)

0x01

0x02

DH (Direcciรณn de Destino Alta)

0

0

DL (Direcciรณn de Destino Baja) 0x02

0x01

Tabla 28: Configuraciรณn de direcciones para comunicaciรณn punto a punto entre el dispositivo base y el dispositivo remoto.

Fuente: Elaborado por los autores.

137

3.4.2.3.4.

Terminal

La pestaña Terminal establece y lee los parámetros del módulo de RF utilizando comandos AT79. La sintaxis usada en para enviar comandos AT y parámetros de configuración es la mostrada en la Figura 68.

Figura 68: Secuencia para envío de comandos AT y parámetros de configuración Fuente: product-manual_XBee_OEM_RF-Modules_ZigBee.pdf, página 22 En la secuencia mostrada en la Figura 68 primero se escribe el prefijo “AT”, seguido del comando AT en formato ASCII, se envía un espacio, y se procede a escribir el valor del parámetro de configuración en formato hexadecimal, finalizando la secuencia con el comando AT, CR o carriage return, que indica al módulo receptor que debe devolver una respuesta de confirmación al haber recibido la secuencia. Una vez que se ha enviado el comando hacia el módulo receptor, el dispositivo retornará un mensaje “OK” en el caso de que la interpretación y ejecución de la orden haya sido exitosa, en caso contrario el mensaje retornado será “ERROR”.

Por otro lado si lo que se desea es leer la configuración del parámetro dentro del módulo, se debe omitir el valor hexadecimal de la secuencia. Los principales comandos AT de los módulos XBee se encuentran disponibles en el Anexo 9.

En la pestaña Terminal se procedió a verificar el envío y recepción de los datos que permitieron la interacción entre los módulos y el funcionamiento del sistema, ver Figura 69.

79

Los comandos AT son instrucciones codificadas que conforman un lenguaje de comunicación entre el hombre y un Terminal MODEM.

138

Figura 69: Datos receptados y transmitidos Fuente: Elaborado por los autores

3.4.2.4.

Configuración del microcontrolador ATMEGA8

La configuración del microcontrolador ATMEGA 8 fue realizada por medio del compilador BASCOM- AVR.

3.4.2.4.1.

Bascom-Avr©

Es un compilador Basic en Windows para la familia de microcontroladores AVR de Atmel que permite reducir los tiempos de desarrollo de forma drástica. Trabajando con otros componentes o kits de desarrollo logra brindar herramientas para un diseño rápido y seguro tanto de microcontroladores como de sistemas de Radio frecuencia en Bandas ISM80.

80

Siglas en ingles de Industrial, Scientific and Medical, son bandas reservadas internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética en áreas industrial, científica y médica. En la actualidad estas bandas han sido popularizadas por su uso en comunicaciones WLAN (e.g. Wi-Fi) o WPAN (e.g. Bluetooth).

139

La carga de programas se puede realizar desde un PC a través del bus SPI por el puerto serie o utilizando el boot (programa cargador) a través de los pins serie 1 de la cpu. El programa puede escribirse en un editor MDI81 de código en color, ver Figura 70.

Figura 70: Entorno de trabajo BASCOM AVR. Fuente: http://www.dmd.es/bascom-a.htm.

3.4.2.4.2.

Código de configuración

El código de configuración del dispositivo receptor es el siguiente: $regfile = "m8def.dat" $crystal = 12000000 $baud = 9600 Config Pinb.0 = Input Config Pinb.1 = Input Config Pinb.2 = Input Config Pind.2 = Input Config Portd.7 = Output Config Portc.1 = Output Declare Sub Rx Const K = 5 / 1023 Config Adc = Single, Prescaler = Auto, Reference = Internal Start Adc Dim Aux1 As Byte, Tiempo As Byte, Auto As Byte 81

De sus siglas en inglés Multiple Document Interface o en idioma español interfaz de múltiples documentos, son aquellos sistemas cuyas ventanas se encuentran dentro de una ventana padre.

Estos sistemas permiten a menudo que las ventanas secundarias puedan incorporar otras ventanas dentro de ellos, creando así complejas jerarquías

140

Dim Temp As Byte, Con As Byte, T As Byte, Aux3 As Byte Dim Dato As Byte, Max1 As Long, Valor As Byte, Minuto As Byte Dim Aux4 As Byte, Act As Byte, Act2 As Byte, Cont As Integer Aux3 = 1 Temp = 2 T=1 Aux1 = 1 Auto = 0 Max1 = 0 Con = 0 Minuto = 0 Act = 1 Auto = 1 Act2 = 1 Cont = 0 Do Max1 = Max1 + 1 '**************** T = 2, opci贸n 2 que controla la intensidad ************************************ If Pinb.2 = 0 And Pinb.1 = 0 And Aux3 = 1 Then Aux3 = 0 Portc.1 = 0 For Aux4 = 1 To Temp Waitus 75 Call Rx Next For End If If Act = 1 Then Portc.1 = 1 End If If Pinb.2 = 1 And Pinb.1 = 0 Then Aux3 = 1 End If If Pinb.2 = 0 And Pinb.1 = 1 Then Aux3 = 1 End If If Pinb.2 = 1 And Pinb.1 = 1 Then Aux3 = 1 End If '**************** T = 3, opci贸n 3 que controla el encendido del sensor de luz **************** If Pind.2 = 1 And Pinb.0 = 0 And Act = 0 Then ******PRENDA EL SENSOR 'Minuto = 0 'Con = 0 Temp = 2 Portc.1 = 1 Act = 1 End If If Pind.2 = 1 And Act2 = 1 Then Max1 = 0 Con = 0 Minuto = 0 Act2 = 0

141

End If If Pind.2 = 0 And Act2 = 0 Then Act2 = 1 End If '**************** T = 4, opci贸n 4 que controla la temperatura ambiente de la sala************ If Max1 >= 30000 Then Con = Con + 1 Max1 = 0 If Temp = 2 Then Valor = Getadc(5) Print Chr(valor) End If If Act = 0 Then Valor = Getadc (5) Print Chr (valor) End If End If If Con >= 60 Then Minuto = Minuto + 1 Con = 0 End If If Minuto >= Auto Then 'Temp = 100 Portc.1 = 0 Act = 0 Minuto = 0 End If Loop Sub Rx: Dato = Inkey () '***************** 2 ****************** If Dato <> 0 Then If Chr (dato) = "a" And Temp < 102 Then Temp = Temp + 2 End If If Chr (dato) = "b" And Temp > 2 Then Temp = Temp - 2 End If If Chr (dato) = "c" Then Temp = 2 Auto = 1 End If '**************** 1 ******************* If Chr (dato) = "d" Then Temp = 2 Portc.1 = 1 Act = 1 Minuto = 0 Con = 0

'54500 1 seg

' minuto

142

End If If Chr (dato) = "e" Then 'Temp = 100 Portc.1 = 0 Act = 0 Minuto = 0 Con = 0 End If '**************** 3 ******************* If Chr (dato) = "f" And Auto < 9 Then Auto = Auto + 1 Minuto = 0 Con = 0 End If If Chr (dato) = "g" And Auto > 1 Then Auto = Auto - 1 Minuto = 0 Con = 0 End If End If Dato = 0 End Sub Rx End El C贸digo de configuraci贸n del transmisor es el siguiente: $regfile = "m8def.dat" $crystal = 12000000 $baud = 9600 Config Pind.7 = Input Config Pind.6 = Input Config Pinb.0 = Input Config Pinb.1 = Input Config Pinb.2 = Input Config Portd.1 = Output Config Com1 = Dummy , Synchrone = 0 , Parity = None , Stopbits = 1 , Databits = 8 , Clockpol = 0 Config Lcd = 16 * 4 Config Lcdbus = 4 Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portc.2 , Db5 = Portc.3 , Db6 = Portc.4 , Db7 = Portc.5 , E = Portc.0 , Rs = Portc.1 Declare Sub Menu(op1 As Byte) Dim Num As Byte , Aux As Byte , Aux2 As Byte , Dato As Byte , D1 As Byte , A As Byte Dim A1 As String * 3 , A3 As String * 3 , Temperatura As Byte , B As Byte Num = 1 Aux = 1 A = 30 '2 A1 = "ON " A3 = "ON " Cls Locate 1 , 1 Lcd " INDECORP "

143

Locate 2 , 1 Lcd " Derechos R " Locate 3 , 1 Lcd " Katy C. " Locate 4 , 1 Lcd " Ruth J. " Waitms 2500 Call Menu(num) Do '***************** RECEPTOR, TEMPERATURA *********************** '=========================== 4 ================================== Dato = Inkey() If Dato <> 0 Then For D1 = 30 To 200 '61 If Dato = D1 Then Locate 4 , 10 Lcd " " Locate 4 , 11 Temperatura = Dato - 82 Lcd Temperatura End If Next For Waitms 10 End If '=========================== 1 =================================== If Pinb.1 = 1 And Pinb.2 = 0 And Num = 1 Then B = 111 Print Chr(b) A1 = "ON " Call Menu(num) Waitms 300 End If If Pinb.1 = 0 And Pinb.2 = 1 And Num = 1 Then B = 112 Print Chr(b) A1 = "OFF" Call Menu(num) Waitms 300 End If '============================= 3 ================================== If Pinb.1 = 1 And Pinb.2 = 0 And Num = 3 Then B = 101 Print Chr(b) A3 = "ON " Call Menu(num) Waitms 300 End If If Pinb.1 = 0 And Pinb.2 = 1 And Num = 3 Then B = 101 Print Chr(b) A3 = "ON " Call Menu(num) Waitms 300

144

End If '============================= 2 ================================== If Pinb.1 = 1 And Pinb.2 = 0 And Num = 2 Then If A < 90 Then A=A+2 Print Chr(a) Call Menu(num) End If Waitms 200 End If If Pinb.2 = 1 And Pinb.1 = 0 And Num = 2 Then If A > 30 Then A=A-2 Print Chr(a) Call Menu(num) End If Waitms 200 End If If Pind.7 = 1 And Pinb.1 = 0 And Pinb.2 = 0 Then B = 102 Print Chr(b) A = 30 A3 = "ON " A1 = "ON " Call Menu(num) Waitms 300 'End If End If '************** OPCIONES SUBIR Y BAJAR EN EL MENU ********************** If Pinb.0 = 1 And Aux = 0 And Num > 1 Then Aux = 1 : Num = Num - 1 Call Menu(num) Waitms 200 End If If Pinb.0 = 0 And Aux = 1 Then Aux = 0 End If If Pind.6 = 1 And Aux2 = 0 And Num < 4 Then Aux2 = 1 : Num = Num + 1 Call Menu(num) Waitms 200 End If If Pind.6 = 0 And Aux2 = 1 Then Aux2 = 0 End If Loop Sub Menu(op1 As Byte): Locate 2 , 10 Lcd " " If Op1 = 1 Then Locate 1 , 1 Lcd ">1 LUZ " ; A1

145

Locate 2 , 1 Lcd " 2 I (%) " ; A Locate 3 , 1 Lcd " 3 SENSOR " ; A3 Locate 4 , 1 Lcd " 4 T (C) " ; Temperatura End If If Op1 = 2 Then Locate 1 , 1 Lcd " 1 LUZ " ; A1 Locate 2 , 1 Lcd ">2 I (%) " ; A Locate 3 , 1 Lcd " 3 SENSOR " ; A3 Locate 4 , 1 Lcd " 4 T (C) " ; Temperatura End If If Op1 = 3 Then Locate 1 , 1 Lcd " 1 LUZ " ; A1 Locate 2 , 1 Lcd " 2 I (%) " ; A Locate 3 , 1 Lcd ">3 SENSOR " ; A3 Locate 4 , 1 Lcd " 4 T (C) " ; Temperatura End If If Op1 = 4 Then Locate 1 , 1 Lcd " 1 LUZ " ; A1 Locate 2 , 1 Lcd " 2 I (%) " ; A Locate 3 , 1 Lcd " 3 SENSOR " ; A3 Locate 4 , 1 Lcd ">4 T (C) " ; Temperatura End If End Sub

3.4.2.5.

Construcción del prototipo de la red

Con los materiales electrónicos, diagramas, diseños de circuitos electrónicos, microcontroladores y módulos configurados se procedió a construir el prototipo transmisor y receptor para la comunicación de la red.

Tanto en el transmisor como en el receptor mediante el uso de un regulador de voltaje se modificó la salida de 9 voltios de los módulos Xbee/Xbee-Pro a 5v para trabajar con los microcontroladores ATMEGA8, con el sensor de temperatura, el sensor de movimiento,

146

sensor de luz y adicionalmente se utilizó un cristal de 12 Mhz y una velocidad de transferencia de datos de 9600Mbp. Los pines de los módulos Xbee utilizados para habilitar la comunicación con el resto de dispositivos son los expuestos en la Tabla 29 mostrada a continuación.

Pin #

Nombre

Dirección

Descripción

1

VCC

-

Fuente de alimentación

2

DOUT

Salida

UART82 datos de salida

Entrada

UART datos de Entrada

-

Tierra

3

10

DIN / CONFIG

GND

Tabla 29: Pines utilizados de los módulos XBee / XBee-Pro. Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.2.5.1.

Transmisor

El transmisor fue programado para mostrar un menú que permita al usuario elegir la opción que desee con respecto al manejo de las luminarias en general (LUZ), control de intensidad de la luz (I %), la opción sensor (SENSOR) viene pre configurada en modo ON, y monitorear la temperatura ambiente de la sala (T), ver Figura 71.

82

Siglas en inglés de Universal Asynchronous Receiver-Transmitter: Chip de ciertos sistemas digitales cuyo principal objetivo es convertir los datos recibidos en forma paralela, a forma serial, con el fin de comunicarse con otro sistema externo. También realiza el proceso inverso y son programables.

147

Figura 71: Menú del dispositivo transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

Cuando el usuario selecciona las opciones: LUZ, I (%), SENSOR, o T(C), el transmisor se comunica inalámbricamente con el dispositivo receptor y envía la instrucción solicitada por el usuario.

Para poder navegar entre las opciones disponibles en el menú del dispositivo transmisor, durante la construcción del mismo, se incorporaron botones que permiten que el usuario navegue en el menú y ejecute la opción que desee. Ver figura 72.

Figura 72: Botones del dispositivo transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

Una vez lista la placa electrónica se ensambló las partes: circuito electrónico transmisor, módulo XBee y display LCD, constituyendo de esta manera el dispositivo transmisor, ver Figura 73.

148

Figura 73: Ensamblaje del dispositivo transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

Despu茅s de haber ensamblado el dispositivo transmisor se procedi贸 a colocarlo dentro de su respectiva carcasa, ver Figura 74.

Figura 74: Dispositivo transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

Como una opci贸n adicional para el usuario el transmisor cuenta con un switch para encender o apagar el dispositivo, ver figura 75.

149

Figura 75: Switch del dispositivo transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.2.5.2.

Receptor

El dispositivo receptor se construyó

y configuró para recibir mediante comunicación

inalámbrica las instrucciones enviadas por el dispositivo transmisor y proceder a ejecutarlas. Ver Figura 76.

Figura 76: Circuito electrónico receptor Fuente: Elaborado por los autores El dispositivo receptor para realizar el control de la intensidad de las luminarias, utiliza el método de variación por fase, este método se caracteriza por tener un nivel máximo y

150

mínimo de intensidad, usa la técnica del cruce por cero que consiste en detectar las veces que el voltaje es cero en la corriente alterna.

El proceso que permite controlar la intensidad de las luminarias es el siguiente: con el uso de 2 diodos leds y 2 fototransistores se encuentra el corte de la señal en los puntos ceros y se envía la misma al microcontrolador ATmega8, a través de la programación se interpreta la señal y se regula la intensidad enviando otra señal al optoacoplador moc3011, el optoacoplador activa al triac de acuerdo al tiempo establecido en el microcontrolador, con la ayuda del triac se activa el tiempo de disparo o duración de la fase, dando como resultado la variación de la intensidad, ver Figura 77.

Figura 77: Control de intensidad mediante el método de variación por fase.

Fuente: Elaborado por los autores.

Una vez lista la placa electrónica se ensambló las partes: circuito electrónico receptor, módulo XBee, constituyendo de esta forma el dispositivo receptor, ver Figura 78.

Figura 78: Ensamblaje del dispositivo receptor.

Fuente: Elaborado por los autores.

Luego de haber ensamblado el dispositivo receptor, se procedió a colocarlo en su respectiva carcasa. Ver Figura 79.

151

Figura 79: Dispositivo Receptor.

Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.3. Pruebas de Funcionamiento del Prototipo de la red ZigBee Las pruebas del prototipo de la red ZigBee fueron realizadas en casa con el objetivo de verificar el funcionamiento del prototipo creado, el mismo fue de mucha utilidad, ya que permitió preparar el dispositivo transmisor y receptor de la Red ZigBee para su futura instalación en la sala de reuniones.

A continuación se detalla cómo funciona el dispositivo transmisor y receptor de la Red ZigBee. En el dispositivo transmisor la opción 1 del menú, funciona como un switch, es decir enciende y apaga las luces de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD. Durante las pruebas al seleccionar el modo ON en la opción 1, la bombilla se encendió, mientras que al seleccionar el modo OFF en la opción 1, la bombilla se apagó, ver Figura 80.

152

Figura 80: Modo ON, luminaria encendida. Modo OFF, luminaria apagada.

Fuente: Elaborado por los autores.

La segunda opciรณn controla la intensidad de las luminarias,

durante las pruebas se

controlรณ la intensidad de las luces manipulando los botones izquierda-derecha para aumentar y disminuir la intensidad respectivamente. Ver Figura 81.

Figura 81: Prueba de control de intensidad.

Fuente: Elaborado por los autores.

La opciรณn 3 controla el sensor de luz, por defecto estรก configurado en modo ON, ver Figura 82, para permitir que el sistema automรกtico funcione de la siguiente forma; si

153

existe movimiento y las luces han sido encendidas o hay luz suficiente, el modo automático se establece en OFF, es decir no realiza ninguna actividad ya que da preferencia a la selección realizada por el usuario, si hay movimiento y no hay luz, se activa el modo automático y enciende las luminarias de la sala, finalmente si no existe movimiento el modo automático se mantiene en modo ON en espera de cambios.

Figura 82: Opción SENSOR establecido en modo ON. Fuente: Elaborado por los autores.

La opción 4 monitorea la temperatura ambiente en °C de la sala de reuniones, durante las pruebas el valor transmitido por el sensor de temperatura fue de 30 ºC. Ver Figura 83.

Figura 83: Prueba de monitoreo de temperatura.

Fuente: Elaborado por los autores.

3.4.4. Discusión del Resultado La construcción del prototipo es uno de los aciertos del proyecto ya que permitió corregir posibles errores de la red a una escala menor, mediante las pruebas se determinó mejoras en la usabilidad del prototipo y sus dispositivos que en un principio no fueron considerados.

154

3.5.

INSTALACIÓN Y PRUEBAS DEL FUNCIONAMIENTO DE LA RED ZIGBEE

EN

LA

SALA

DE

REUNIONES

DEL

EDIFICIO

ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD 3.5.1. Instalación de la red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD Previo a la instalación de la red ZigBee, se solicitó autorización para ingresar a la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, la solicitud fue dirigida al Dr. Marcos Santibáñez – Vice Prorrector y Director Académico de la PUCE SD, Myriam Simbaña Directora Administrativa, y la Sra. Fanny Peña – Directora de Recursos Físicos, ver anexo 10.

Una vez aceptada la solicitud se realizó la instalación en los días previstos ejecutándose las siguientes actividades: 

Verificación con el multímetro de la fase y el neutro de la instalación eléctrica existente en la sala de reuniones.



Dado que existía 1 caja con interruptores de tres servicios y otra con interruptores de 2 servicios (cada interruptor encendía y apagaba un par de luminarias), se decidió dejar solo una caja de tres servicios

(dos

conmutadores y un switch). Los dos primeros interruptores encienden 4 luminarias cada uno y el último se dejó opcional para controlar las luminarias exteriores de la sala. La segunda caja se aprovechó para colocar el sensor de movimiento, ver Figura 84.

Figura 84: Instalación de los interruptores.

Fuente: Elaborado por los autores.

155



Instalación del receptor, el mismo que quedó fijo a la pared, conectado a la toma eléctrica para la alimentación del circuito. Ver Figura 85.

Figura 85: Instalación del receptor.

Fuente: Elaborado por los autores.



Instalación del transmisor, el mismo que quedó instalado con una batería recargable para su funcionamiento. Ver figura 86.

Figura 86: Instalación del transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

156

3.5.2. Pruebas del funcionamiento de la red ZigBee Las pruebas se realizaron siguiendo el orden de las opciones que se presentan en el menú disponible en el dispositivo transmisor, obteniendo como resultado lo siguiente: 

En la opción 1, LUZ OFF, apaga las luminarias de la sala, y LUZ ON enciende las luminarias, ver Figura 87.

Figura 87: Luces encendidas y apagadas en la sala de reuniones.

Imagen izquierda modo OFF, imagen derecha modo ON. Fuente: Elaborado por los autores.

Para continuar con las pruebas del funcionamiento de la Red ZigBee se realizó la planilla de pruebas expuesta en la Tabla 30, la planilla consiste en las pruebas realizadas sobre la opción de control de intensidad y la opción de temperatura.

157

Prueba

Estado Luminarias

Intensidad Temperatura Resultado

1

ON

30 %

28 °C

OK

2

OFF

30%

28 °C

OK

3

ON

75 %

28 °C

OK

4

ON

30 %

33 °C

OK

Tabla 30: Pruebas realizadas en la sala de reuniones, sobre la opción de control de intensidad y la opción de temperatura.

Fuente: Elaborado por los autores. 

La prueba 1 consistió en mantener en ON la opción 1, se puede observar en la Tabla 29, que la intensidad se mantuvo en 30 % y la temperatura proporcionada por el sensor fue de 28ºC, lo cual dio como resultado todos los sistemas activados.



La prueba 2 consistió en poner en OFF la opción 1, se puede observar que la intensidad y temperatura siguen igual que en la prueba anterior, y el resultado fue exitoso.



La prueba 3 consistió en variar la intensidad

de iluminación al 75%

y

evidenciar los cambios en las luminarias. 

La prueba 4 consistió en probar el sensor de temperatura al presionar con nuestra mano el mismo y evidenciar los cambios de valor en la pantalla LCD.

La última prueba permitió determinar el funcionamiento del sistema en su modo automático, para ello se realizó la siguiente planilla de pruebas del sistema automático de la Red ZigBee. Ver Tabla 31.

158

Prueba

Luces

Luces

Encendidas Apagadas

Movimiento

Día

Noche

Resultado

1

SI

SI

SI

SE MANTIENE

2

SI

NO

SI

APAGAR

3

SI

SI

SI

SE MANTIENE

4

SI

NO

SI

APAGAR

5

SI

SI

6

SI

SI

7

SI

NO

8

SI

NO

SI

SE MANTIENE

SI

SI

ENCENDER

MANTIENE

SI

MANTIENE

Tabla 31: Pruebas realizadas en la sala de reuniones del modo automático de la aplicación de la red ZigBee. Fuente: Elaborado por los autores. 

La prueba 1 presenta la posibilidad de que si las luces están encendidas, es de día y hay movimiento en la sala, las luces se mantengan encendidas, la prueba resultó exitosa.



La prueba 2 determina que si las luces están encendidas, es de día pero no hay movimiento, las luces se apaguen al cabo de 30 segundos. El resultado de la prueba fue exitoso.



La prueba 3 expone la siguiente situación, si las luces están encendidas, es de noche y existe movimiento, las luces se mantienen encendidas, logrando éxito en la prueba.

159



La prueba 4 consiste en

las luces encendidas, es de noche y no hay

movimiento, las luces se apaguen en un tiempo de espera máximo de 30 segundos, resultado de la prueba exitosa. 

La prueba 5 presenta el caso de que las luces estén apagadas, es de día y hay movimiento, las luces permanezcan en su estado actual, prueba exitosa.



En la prueba 6 se ejemplifica el caso en que las luces estén apagadas, es de noche y existe movimiento en la sala, como resultado las luces se encienden, prueba exitosa.



La prueba 7 expone el caso en que las luces estén apagadas, es de día pero no existe movimiento, caso en el cual el sistema reaccionó manteniendo las luces apagadas, prueba exitosa



La prueba 8 determina que al estar las luces apagadas, es de noche y no existe movimiento las luces permanecerán apagadas, se obtuvo éxito en el resultado de la prueba.

3.5.3. Discusión del Resultado La instalación y pruebas realizadas sobre la aplicación de la red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo tuvieron el éxito esperado al reaccionar de manera lógica y precisa ante la presencia y ausencia de los usuarios en la sala. De esta manera queda demostrada la ventaja de utilizar la tecnología ZigBee en aplicaciones domóticas, además es un incentivo para futuras investigaciones y aplicaciones de esta tecnología, en el Anexo 14 se incluye el costo de la implementación de la red ZigBee.

160

IV CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES 

La aplicación de la red ZigBee en la sala de reuniones se realizo en base a investigaciones efectuadas sobre la tecnología ZigBee, el estándar IEEE 802.15.4, la domótica y los principios básicos de la electrónica.



La aplicación de la red ZigBee se basa principalmente en crear una red para la gestión y control de las luminarias y el monitoreo de temperatura de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, a fin de reducir el consumo innecesario de energía y mejorar la atención en las reuniones, sin preocuparse de la iluminación del lugar.



Para la realización de la aplicación de la red ZigBee fue necesario la creación de un prototipo de la red que permitió determinar de manera previa problemas con el enlace o el comportamiento de los dispositivos, una vez corregidos los inconvenientes se procedió con la instalación en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD para las pruebas finales.



La utilidad máxima de la aplicación de la red ZigBee se da al momento que se realizan proyecciones, por el fácil manejo de la intensidad de la iluminación en la sala de reuniones gracias al control de mando.



La tecnología ZigBee podría convertirse fácilmente en la primera opción al momento de ofrecer soluciones en la comunicación de sensores, por la fiabilidad en la transmisión de datos, la larga duración de las baterías, su bajo consumo de energía, bajo costo de instalación y la flexibilidad de la red.



La sala de reuniones es propensa a tener varias redes inalámbricas como WiFi y Bluetooth funcionando al mismo tiempo en la misma banda de frecuencia 2,4GHz lo cual puede dar a pensar que exista inestabilidad en la comunicación de la red ZigBee, sin embargo el estándar fue diseñado para implementar una selección dinámica de canales a través de la capa de red, capa MAC y capa física es decir permite la asignación de canales y agilidad en la selección de frecuencias. Estás funciones se utilizan para determinar el canal inicial de operación y cambiar los canales en caso de que exista una pausa prolongada, por lo tanto la red ZigBee implementada en la sala de reuniones permite una comunicación estable entre los dispositivos transmisor y receptor.

161



La configuración e instalación de la red ZigBee es sencilla dado el lugar en el que ha sido implementada, sin embargo en un futuro la PUCE SD podría ampliar la red dentro del rango de alcance que tienen los dispositivos o dependiendo de la topología que se desee implementar utilizando el dispositivo denominado ZigBee Gateway que ayuda a extender redes que utilizan tecnología ZigBee PRO.



La nueva versión ZigBee Smart Energy versión 2.0 afianza el concepto de flexibilidad en las redes ZigBee permitiendo extenderse y acoplarse con otros estándares de comunicación inalámbrica y adicionalmente la compatibilidad con el protocolo IPv6 dará lugar a nuevas y mejoradas características y funciones de la tecnología.

RECOMENDACIONES 

Revisar el manual de usuario disponible en el anexo 11, ante alguna duda o confusión, el manual de usuario contiene la información necesaria para guiarle en el buen manejo de la aplicación.



Socializar el uso del control de mando o transmisor de la red ZigBee a los usuarios de la sala de reuniones.



Manipular el control de mando o transmisor de la red con el mayor cuidado posible, tenga en cuenta que al ser un dispositivo electrónico, puede estropearse al ser expuesto a golpes, o al entrar en contacto con sustancias líquidas.



Recargar la batería ubicada en el mando de control o transmisor de la red cada vez que la pantalla empiece a titilar o deje de mostrar el menú, para asegurar la comunicación entre el dispositivo transmisor y receptor, y continuar utilizando la aplicación.



Revisar periódicamente las instalaciones eléctricas de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, para evitar fallas y pérdidas posteriores en el sistema de la red ZigBee.



En caso de trasladar o modificar la red, recuerde consultar el manual de instalación disponible en el anexo 12, tenga presente ubicar los sensores de movimiento y sensor de luz localizados en el dispositivo receptor en lugares estratégicos dentro del área, recuerde que de la adecuada ubicación de ellos, dependerá

el óptimo

funcionamiento de determinadas características ofrecidas por la aplicación.

162

BIBLIOGRAFÍA Libros: 

Caprile, Sergio R. Equisbí: Desarrollo de aplicaciones con comunicación remota basadas en módulos ZigBee y 802.15.4. Buenos Aires: Gran Aldea, Editores – GAE, 2009.



Farahani, Shahin. ZigBee wireless networks and transceivers.EEUU: Boston, Elseiver, 2008.



Fernández, Martínez Roberto; Ordieres, Meré Joaquín; Martínez de Pisón, Ascacíbar Francisco Javier; González, Marcos Ana; Alba, Elías Fernando; Lostado, Lorza Ruben; Pernía, Espinoza Alpha Verónica; (Integrantes del Grupo de Investigación EDMANS). Redes inalámbricas de sensores: teoría y aplicación práctica. Logroño, Universidad de la Rioja- Servicios de Publicaciones, 2009.



Gutiérrez, José A; Callaway, Edgar H; Barrett Raymond. Low-rate wireless personal area networks: enabling wireless sensors with IEEE 802.15.4.

EEUU: New York, The Institute of electrical & Electronics Enginee, Inc., 2003.



Gislason, Drew. ZigBee Wireless Networking. EEUU: Burlington, Elseiver, 2008.



Houda Labiod,Hossam Afifi,Costantino De Santis. Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee and WiMAX. EEUU, Springer Verlag, 2008.

Soporte electrónico: 

Acosta,

María.

Estudio

del

estándar

IEEE

802.15.4

“ZigBee”

para

comunicaciones inalámbricas de área personal de bajo consumo de energía y su

comparación

con

el

estándar

IEEE

802.15.1

“Bluetooth”.

http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/55/1/CD-0024.pdf. 18-11-2009. 

Areaelectronica.com. Electrónica Básica. http://www.areaelectronica.com. 2112-2009.



Areaelectronica.com. Área Electrónica. http://www.areaelectronica.com. 0501-2010.



ATMEL. 8-bit AVR. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/atmel/2545 S.pdf. 10-05-2010.

163



Alldatasheet.com. MOTOROLA SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA. http://pdf1.alldatasheet.es/datasheet-pdf/view/5037/MOTOROLA/MOC3010 .html. 13-05-2010.



Aiem, Leandro. Sensor de Temperatura por Resistencia Pt100. http://www. ingecozs.com/pt100.pdf. 18-05-2010.



Bravo, Franklin; López María.

“Estudio de Sistemas Web – embebidos

Aplicados al Desarrollo de un Prototipo que Controle Temperatura y Humedad”. http://dspace.espoch.edu.ec/ bitstream/123456789/172/1/38T0 0163.pdf. 06-09-2010. 

BlogElectronica.

Redes ZigBee, Introducción. http://www. blogelectronica.

com/zigbee-ii-mas-definiciones. 20-11-2009. 

Blog

Electrónica.

Fototransistor.

http://www.electronica2000.info/2007/09/

05/fototransistor/. 08-06-2010. 

Blogspot. Reguladores de voltaje 7805. http://picrobot.blogspot.com/2009/ 06/reguladores-de-voltaje-7805.html. 15-09-2010.



Cortez, Daniel. WBAN. http://www.wban.cl/arch_dccm/wban_dccm_01.pdf. 0412-2009.



CASADOMO.

Domótica,

Introducción.

http://www.casadomo.com/noticias

Detalle.aspx?c=14. 15-12-2009. 

Carrod Electrónica. Optoacoplador MOC3010 Salida Triac. http://www.car rodelectronica.com/store/index.php?_a=viewProd&productId=13229. 13-05 2010.



Digi. Dinamic C, An Introduction to ZigBee. http://ftp1.digi.com/support/ documentation/0190162_c.pdf. 24-11-2009.



Digital Micro Devices. Bascom AVR. http://www.dmd.es/bascom-a.htm. 28-052010.



DreamLogic. Arma tu Arduino. http://taller.tagabot.org/index.php/Arduino/ Armada. 17-09-2010.



Espinosa,

Pedro.

Electrónica

Analógica.

http://www.tecnologiajavier.es/

4eso/t01analogica/activ01/apuntesanalogica.pdf. 22-12-2009. 

Espinosa, Pedro. Electrónica Analógica. http://www.tecnologiajavier.es/4e so/t01analogica/activ01/apuntesanalogica.pdf. 06-01-2010.



ELECTAN Electrónica y Robótica. DISPLAY LCD RS-232 PROG. 4X16 CEBEK. http://www.electan.com/catalog/display-lcd-rs232-prog4x16-cebekp-2326.html. 17-05-2010.

164



García,

Christian

P.

ZigBee,

Comunicación

para

Dispositivos.

http://www.sg.com. mx/content/view/392. 17-11-2009. 

Instituto de Ingenieros Electrónicos y Eléctricos (IEEE). IEEE 802.15 WPAN Grupo de Tareas 4 (TG4). http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html. 10-122009.



Jiménez, Javier. Análisis de la aplicación de la domótica en la seguridad patrimonial, el confort y la gestión de recursos naturales, como solución a los problemas ambientales. http://www.scribd.com/doc/24094541/Articulo. 22-122009.



Kioskea.net.

Redes

Inalámbricas.

http://es.kioskea.net/contents/wireless/

wlintro.php3. 16-11-2009. 

Korea

Electronics

KIA7805AP/API

(KCE).

–

SEMICONDUCTOR,

KIA7824AP/API.

TECHNICAL

DATA.

http://www.datasheetcatalog.org/

datasheets/400/249955_DS.pdf. 01-06-2010. 

Loflin,

Lewis.

ATMEGA168

Arduino

MicroController

de

Projects.

http://www.bristolwatch.com/arduino/index.htm. 11-05-2010. 

Morales, Emmanuel. Comunicación Serial. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/ tales/documentos/lem/morales_h_oe/capitulo3.pdf. 21-05-2010.



Mansfield, Paul. The LED (Light Emitting Diode). http://knol.google.com/k/ electronic-circuits-design-for-beginners-chapter-10#. 07-06-2010.



Monografías o Apuntes de Tecnología. Electrónica. http://www.viasatelital. com/proyectos_electronicos/index.htm. 20-12-2009.



Monografías o Apuntes de Tecnología. Electrónica. http://www.viasate lital.com/proyectos_electronicos/index.htm. 23-12-2009.



Monografias.com. Métodos de Investigación. http://www.monografias.com /trabajos/metoinves/metoinves.shtml. 03-09-2010.



Ponce, Enrique de Miguel; Molina, Tortosa Enrique Mompó, Maicas Vicente.

Redes inalámbricas: IEEE 802.11. http://multingles.net/docs/ Manual%20%20Redes%20WiFi%20inalambricas.pdf. 01-12-2009.



Padrón, José. BASES DEL CONCEPTO DE “INVESTIGACIÓN APLICADA”.

http://padron.entretemas.com/InvAplicada/index.htm. 30-08-2010. 

PR

Newswire.

ZigBee

revela

nuevas

características

integrales.

http://www.prnewswire.co.uk/cgi/news/release?id=208909. 25-11-2009.

165



Premier Farnell plc. EPSON TOYOCOM – OSCILADOR DE CRISTAL, 10 MHZ.

http://es.farnell.com/epson-toyocom/sg531p10mhz/oscilador-de-tal-

cris10mhz/dp/1216192. 12- 05-2010. 

Rodriguez, Carlos A. Electrónica, Componentes Básicos. http://www.el prisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/conceptoselectroni ca/default.asp. 21-12-2009.



Rodriguez, Carlos. Electrónica - Conceptos básicos de

Electrónica.

http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/conceptos electronica/default.asp. 4-01-2010. 

Ramos, Chagoya Ena. Métodos y Técnicas de Investigación. http://www. gestiopolis.com/economia/metodos-y-tecnicas-de-investigacion.htm.

01-09-

2010. 

Ra-Ma. MICROCONTROLADOR PIC16F84. http://www.pic16f84a.org/inde x.php?option=com_content&view=article&id=67&Itemid=85. 27-05-2010.



Robots

Argentina.

Sensores

Conceptos

Generales.

http://robots-argen

tina.com.ar/Sensores_general.htm. 20-09-2010. 

Salazar, Hernán. Investigación Bibliográfica. http://www.slideshare.net/Her nanSalazar/investigacin-bibliogrfica-2463165. 25-08-2010.



Spirax Sarco. Sensor de Temperatura Pt100. http://www.spiraxsarco.com/ ar/pdfs/TI/043_p320-48_01_pt100.pdf. 17-05-2010.



Scribd.com.

TUTORIAL

PARA

PROGRAMAR

UN

ATMEGA8.

http://es.scribd.com/doc/31675524/Tutorial-ATmega. 28-05-2010. 

TXC. Quartz Crystals. http://www.txc.com.tw/download/products/c/7B-2008P07.pdf. 03-06-2010.



Ucontrol.

LM35,

Sensor

de

temperatura

con

precisión

de

1

°C.

http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php?title=LM35. 14-05-2010. 

Universidad del País Vasco. Características generales del ATMEGA8/8L. http://www.sc.ehu.es/sbweb/webcentro/automatica/web_avr/archivos/Otros%2 0AVRs/ATmega/ATmega8.htm. 26-05-2010.



Universidad de la Frontera. TRIAC. http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/ applets/pag_triac/triac.htm. 05-06-2010.



Ucontrol. Usando LCDs. http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php? title= Usando_LCDs. 13-09-2010.

166



Van, Dalen Deobold B.; Meyer, William J. La Investigación Descriptiva. http://noemagico.blogia.com/2006/091301-la-investigacion-descriptiva.php.

27-08-2010.



ZigBee Alliance. ZigBee Alliance. http://www.zigbee.org. 17-11-2009.



ZigBee Alliance. ZigBee en español. http://www.zigbee.es. 24-11-2009.

167

GLOSARIO APL: Siglas en inglés de Application Layer, en español Capa de Aplicación.

BLUETOOTH: Nombre común de la especificación industrial IEEE 802.15.1, que define un estándar global de comunicación inalámbrica que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos, mediante un enlace por radiofrecuencia segura, global, sin licencia y de rango corto, de 10 a 100 metros.

CITIC: Centro de Investigación de las Tecnologías de la Información y Comunicación, cuyo objetivo principal es promover y consolidar una cultura de investigación y desarrollo tecnológico en la PUCE SD, integrado por las siguientes áreas de acción; Programación, Redes, Soporte Técnico y Formación Continua.

CSMA-CA: Siglas en ingles de Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, en español Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Coliciones es el protocolo de control que permite que varias terminales utilicen un mismo medio de transmisión.

DSSS: Siglas en ingles de Direct Sequence Spread Spectrum, en español Espectro Ensanchado por Secuencia Directa; es uno de los métodos de modulación en espectro ensanchado para transmisión de señales digitales sobre ondas radiofónicas que más se utilizan en las redes inalámbricas.

EPROM: Siglas en inglés de Erasable Programmable Read-Only Memory, en español Memoria de Sólo Lectura Borrable y Programable; son memorias de sólo lectura, programables por el usuario, que se borran exponiéndolas durante unos minutos a rayos ultravioletas, que ponen a 0 todas las celdas de la memoria.

FFD: Siglas en ingles de Full Function Devices, en español Dispositivos de Función Completa, que pueden funcionar en cualquiera de los roles de los dispositivos ZigBee tanto como coordinador, router o dispositivo final.

IEEE: Sigles en ingles de Institute of Electrical and Electronics Engineers, en español Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos; es el encargado de crear y establecer estándares.

168

IP: Siglas en inglés de Internet Protocol, en español Protocolo de Internet. Protocolo para la comunicación en una red a través de paquetes conmutados, es principalmente usado en Internet.

IPV6: Versión 6 del protocolo de internet (IP). Es un protocolo encargado de dirigir los paquetes a través de una red, especialmente Internet. Fue diseñado para sustituir la versión actual (IPv4) que actualmente ya no cuenta con suficientes direcciones de red debido a la gran expansión de las redes.

LCD: Siglas en ingles de Liquid Crystal Display, en español Pantalla de Cristal Líquido.

Es una tecnología utilizada en monitores de computadoras, televisores, cámaras digitales, etc. que permite una pantalla más delgada y plana, además de una excelente definición.

MAC: Siglas en ingles de Media Access Control, en español Control de Acceso al Medio.

MIPS: Siglas en ingles de Millón Instructions Per Second, en español Millones de Instrucciones Por Segundo, es una forma de medir la potencia de los procesadores para ejecutar instrucciones.

NWK: Siglas en ingles de Network Layer, en español Capa de Red. PHY: Siglas en ingles de Physical Layer, en español Capa de Física.

POS: Siglas en ingles de Personal Operating Space, en español Espacio de Funcionamiento Personal; tiene un radio de 10 metros aproximadamente y es el espacio donde operan la red inalámbrica de una portátil o dispositivo manual.

PSK: Siglas en ingles de Phase Shift Keying, en español Modulación por Desplazamiento de Fase; consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos, la señal moduladora es una señal digital y con un número de estados limitado.

PROM: Siglas en ingles de Programmable Read-Only Memory, en español Memoria de Solo Lectura Programable. Es una memoria digital donde el valor de cada bit depende del estado de un fusible (o antifusible), que puede ser quemado una sola vez, permitiendo que puedan ser escritos los datos una sola vez a través de un dispositivo especial, un programador PROM RAM: Siglas en ingles de Random Access Memory, en español Memoria de Acceso Aleatorio. Es un tipo de memoria de ordenador a la que se puede acceder

169

aleatoriamente; es decir, se puede acceder a cualquier byte de memoria sin acceder a los bytes precedentes.

RFD: Siglas en ingles de Reduced Function Devices, en español Dispositivos de Función reducida; tiene características menores de memoria y procesamiento que solo funcionan como dispositivos finales en la red ZigBee. ROM: Siglas en ingles de Read-Only Memory, en español Memoria de Sólo Lectura. Es la memoria que se utiliza para almacenar los programas que ponen en marcha el ordenador y realizan los diagnósticos.

RSSI: Siglas en ingles de Receive Signal Strength Indicator, en español Indicador de la Intensidad de la Señal de Recepción; es el mecanismo por el cual la energía del receptor se mide por los circuitos en una tarjeta inalámbrica y puede ser un valor numérico entero en un rango de entre 0 a 255 byte.

SRN: Siglas en ingles de Signal to Noise Ratio, en español Relación Señal – Ruido; es la perturbación que se mide en decibeles, que se deriva de la relación entre la señal producida por un dispositivo y el ruido producido por el mismo.

Trama Beacon: Son acuses de recibo que indican la existencia de un problema con las conexiones en la red, dicha trama contiene la dirección del dispositivo que esta desconectado.

WBAN: Siglas en ingles de Wireless Body Area Network, en español Redes de Área Corporal Inalámbrica y se utilizan en aplicaciones para controlar o monitorear signos vitales.

WIFI: Siglas en ingles de Wireless Fidelity, en español Fidelidad Inalámbrica. Es un conjunto de redes que no requieren cables y que funcionan en base a ciertos protocolos previamente establecidos. Fue creado para acceder a redes locales inalámbricas, pero en al actualidad es muy frecuente que sea utilizado para establecer conexiones a Internet.

WIMAX: Siglas en ingles de Worldwide Interoperability for Microwave Access, en español Interoperabilidad Mundial de Acceso por Microondas. Es un sistema de comunicación digital conocido también como IEEE 802.16 que ha sido diseñado como una alternativa wireless al acceso de banda ancha DSL y cable, y una forma de conectar nodos Wifi en una red de área metropolitana (MAN), su cobertura alcanza hasta 50 kilómetros.

170

WLAN: Siglas en ingles de Wireless Lan Area Network, en español Redes de Área Local Inalámbrica.

WMAN: Siglas en ingles de Wireless Metropolitan Area Network, en español Redes de Área Metropolitana Inalámbrica.

WPAN: Siglas en ingles de Wireless Personal Area Network, en español Redes de Área Personal Inalámbrica utilizadas principalmente para conectar dispositivos perifericos a una distancia no mayor de 10 metros.

WSN: Siglas en ingles de Wireless Sensor Networks, en español Redes Inalámbricas de Sensores. Permiten formar macroredes ad-hoc constituidas por numerosos sensores individuales con cierta capacidad sensitiva y de comunicación inalámbrica que intercambian información entre sí sin necesidad de una administración central mediante un protocolo de comunicación pre-establecido.

WWAN: Siglas en ingles de Wireless Wide Area Network, en español Redes de Área Extensa Inalámbrica.

ZigBee: Protocolo de comunicación inalámbrica basado en el estándar IEEE 802.15.4 para redes de baja potencia, baja transmisión de datos y requieran maximizar la vida útil de las baterías.

ZigBee Alliance: Conjunto de empresas que definieron la capa de aplicación y la capa de red del estándar IEEE 802.15.4 para el desarrollo de dispositivos con la tecnología ZigBee.

ANEXOS

ANEXO 1

INTRODUCCIÓN A LOS REQUISITOS TÉCNICOS (TDR) Y PERFIL PÚBLICO DE APLICACIÓN DEL NUEVO PROTOCOLO ZIGBEE SMART ENERGY VERSIÓN 2.0

March 17, 2011

ZigBee-095449

1 Project

ZigBee Alliance and HomePlug Power line Alliance liaiso n

T itle

ZigBee Smart Ener gy Pr ofile 2. 0 Technical Requirements Document

Date Submitted

11 Mar ch, 2 010

Source

[M ichael Gar rison Stuber, E ditor] [ Itron , Inc. ] [ 2111 North Molter Road] [ Liberty Lake WA 9 9019]

Voice: [ 509.891.3 441] Fax: [ 509.891.3 355 ] E -mail: [ michael.stuber @itron.com]

Re:

Technical R equiremen ts Document (T RD)

Abstr act

This documen t describes th e technical r eq uirements for the ZigBee Smart Energ y Pr ofile 2. 0 release.

Pu rpose

The technical requirements defined in th is d ocumen t will r esult in a new ver sion of th e ZigBee Smart Ener gy Public Application Pr ofile specifi cation, includ ing changes at the app lica tion, tr an spor t, adaptation, n etwork, and link layer s.

Notice

This documen t has been pr epar ed to assist the ZigBee Alliance and th e HomePlug Powerline Alliance. It is offered as a basis fo r discussion and is not binding on the con tributin g individual(s) or o rganization( s). Th e mater ial in this document is subject to chang e in form an d content after f urther stud y. The co ntribu to r(s) r eserve( s) the ri ght to add, amend o r with draw materi al con tained her ein.

Release

The contr ibutor ac knowled ges and accepts that this contr ibution will b e posted in the memb er area of the ZigBee and HomeP lu g web sites.

ZigBee Smart E nerg y Prof ile 2. 0

Page 1

Technical Requirements Document

186

1

Introduction

187

1.1

188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201

The purpose of this document is to provide a clear set of technical requirements for implementing ZigBee Smart Energy Profile 2.0 on ZigBee, HomePlug, Wi-Fi, Ethernet, and other IP-capable platforms. These technical documents are based on marketing requirements provided in the ZigBee+HomePlug Smart Energy 2.0 MRD [ZBHP MRD], or inferred by the technical team. To the extent that the ZigBee and HomePlug networking technologies are specifically mentioned in the MRD, appropriate requirements for their support of ZigBee Smart Energy Profile 2.0 are defined in this document. Throughout this document, other MAC/PHYs may be mentioned by name as illustrative examples or partial lists. These references are not intended to convey any preference for the named MAC/PHY(s) over any other MAC/PHY(s) that may support ZigBee Smart Energy Profile 2.0.

Purpose

It is the intent of ZigBee Smart Energy Profile 2.0 to unify the mix of communication technologies that will be present in the customer premises network domain with a common, IP stack based, application layer. To this end, as described in the MRD guiding principles, the requirements defined in this document reflect a cleanly layered architectural model in which the layers are loosely coupled.

202

1.2

203 204 205

This document intends to be comprehensive, covering all aspects of system design for ZigBee Smart Energy Profile 2.0. At the same time, it will only provide detailed requirements for functions that cut across the entire solution.

Scope

ANEXO 2

ENCUESTA A LOS USUARIOS DE LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD El objetivo de la encuesta es recolectar información acerca de la satisfacción general de los usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, con respecto al uso de la infraestructura disponible de la sala. La información recolectada es para fines académicos y servirá para la realización de la disertación de grado cuyo tema es “Aplicación de una red ZigBee en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD”, previo a la obtención del título Ingeniero/a en Sistemas y Computación.

Fecha de la encuesta: Señale con una X según corresponda: 1. ¿Qué tan importante considera usted que es la iluminación en el desarrollo de una reunión?

No es importante Importante

Poco importante Muy importante

2. ¿Cree usted que el sistema de iluminación actual instalado en la sala de reuniones es adecuado para llevar a cabo una reunión?

Si No Si la respuesta en la pregunta 2 es “Sí”, seleccione ¿qué tan adecuado lo considera?

Poco adecuado Adecuado Muy adecuado 3. Cuando se lleva a cabo una exposición en la sala de reuniones es necesario manipular cada luminaria de acuerdo a las necesidades de iluminación. ¿Considera usted que esta actividad provoca pérdidas de tiempo o desconcentraciones en los asistentes a la sala de reuniones?

Si No Si la respuesta en la pregunta 3 es “Sí”, seleccione el grado de incomodidad producido durante la actividad Poco incómodo Incómodo Muy incómodo 4. ¿Considera usted que es importante apagar las luces de la sala de reuniones cuando ya no se requiere su uso?

Si

No

Si la respuesta en la pregunta 4 es “Sí”, seleccione el grado de importancia de acuerdo a su criterio.

Poco importante

Importante

Muy importante

5. ¿Con qué frecuencia al término o inicio de una reunión ha detectado que las luminarias de la sala de reuniones están encendidas innecesariamente?

Nunca Pocas veces Siempre 6. ¿Considera usted que el dejar las luces encendidas al término de una reunión provoca gastos innecesarios de energía y por ende gastos económicos?

Si No 7. ¿Le gustaría que la sala de reuniones cuente con un sistema automatizado de luces en el cual no sea necesario el control del interruptor por parte del usuario para encender o apagar las luminarias al inicio o fin de una reunión y por ende ahorrar energía y dinero?

Si No Si la respuesta en la pregunta 7 es “Sí”, seleccione el grado de importancia de acuerdo a su criterio.

Poco importante Importante Muy importante 8. ¿Considera usted que es importante monitorear la temperatura ambiente de la sala de reuniones para proceder a encender el ventilador cuando realmente sea necesario?

Si No Si la respuesta en la pregunta 8 es “Sí”, seleccione el grado de importancia de acuerdo a su criterio.

Poco importante Importante Muy importante

MUCHAS GRACIAS POR SU COLABORACIÓN

ANEXO 3

USUARIOS ACTIVOS DE LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Nombre Dra. Margalida Font Roig Dr. Marco Santibañez Ing. Myriam Polanco Ing. Franklin Carrasco Sr. Andrés García Ing. José Luis Centeno Ing. Patricio Chimbo Ms. Mariana Vega Lic. José Ángel González Lic. Víctor Toscano Ms. Teresa Zambrano Lic. Myriam Simbaña Ing. Gisselle Cárdenas Dr. P. Francisco Gallo Dra. Ascensión Ballesteros Ing. Jajaira Miranda Ms. Iván España Lic. Marta Luz Forero Dis. Abraham Viñan Dra. Gabriela Flores Ing. Julieta Sánchez Ing. Carlos Galarza Ing. David Arias Ms. Rodolfo Córdova Dis. Karina Flores Lic. Lorena Chum

Cargo PRORRECTORA VICEPRORRECTOR RELACIONES INSTITUCIONALES COMUNICACIÓN VISUAL COMUNICACIÓN VISUAL SECRETARIA GENERAL INVESTIGACIÓN Y POSGRADOS FORMACIÓN FORMACIÓN FORMACIÓN PLANIFICACIÓN Y CURRÍCULO ADMINISTRATIVA FINANCIERA ESTUDIANTES MISIONES UNIVERSITARIAS DIR. ESCUELA DE ADMINISTRACIÓN DIR. DE LA ESCUELA DE CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN DIR. ESCUELA DE COMUNICACIÓN SOCIAL DIR. ESCUELA DE DISEÑO DIR. ESCUELA DE ENFERMERÍA DIR. ESCUELA DE HOTELERÍA Y TURISMO DIR. ESCUELA DE SISTEMAS CADES CITIC DICOM IDIOMAS

ANEXO 4

APLICACIÓN DE LA ENCUESTA DIRIGIDA A LOS USUARIOS DE LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD

ANEXO 5

RECOPILACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS La recopilación de los requerimientos para el desarrollo de la aplicación de la red ZigBee se basa en la encuesta realizada a los usuarios de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD; el análisis de la problemática expuesta por los encuestados y la posible solución. Los requerimientos son los siguientes: 

La aplicación debe garantizar la perfecta iluminación de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.



La iluminación en las reuniones y sobre todo en exposiciones debe estar sujeta a cambios en la intensidad de las mismas.



Las luminarias deberán prenderse y apagarse de forma automática de acuerdo a la presencia o ausencia de los usuarios en la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.



La aplicación deberá gestionar las luminarias para prevenir que estas sean encendidas en los días en que la iluminación natural sea suficiente.



La aplicación deberá evitar el consumo innecesario de energía eléctrica y ayudar en la disminución de gastos por consumo de energía.



Es necesario que la aplicación disponga de un dispositivo que monitoree la temperatura ambiente de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD.

Una vez conocido los requerimientos de los usuarios encuestados de la sala de reuniones del edificio administrativo de la PUCE SD, se concluyó que la aplicación de la red ZigBee deberá contener lo siguiente: 

Una red con sensores de movimiento y de luz para detectar presencia e iluminación en la sala.



La red se establecerá en base a la tecnología ZigBee que es la más eficiente para el desarrollo de aplicaciones domóticas de baja tasa de transmisión de datos y baja potencia.



Un control manual para facilitar la movilidad al momento de encender/apagar las luminarias, variar la intensidad de las mismas y mostrar la temperatura en °C.



Dispositivos que colaborarán en la disminución del consumo de energía eléctrica.



La aplicación permitirá que los usuarios puedan apagar la red ZigBee y habilitar el sistema convencional de iluminación si así lo requieren.

ANEXO 6 ADQUISICIÓN DEL KIT DE DESARROLLO ZIGBEE XB24-PDK DE MAXSTREAM DEL DISTRIBUIDOR DIGI

ANEXO 7

HARDWARE Y SOFTWARE QUE CONTIENE EL KIT DE DESARROLLO XBEE/XBEEPRO

ANEXO 8

ESPECIFICACIONES, DIMENSIONES Y ASIGNACIÓN DE PINES DE LOS MÓDULOS XBee Y XBee-PRO

ESPECIFICACIONES DE LOS MÓDULOS XBee Y XBee-PRO

DIMENSIONES DE LOS MÓDULOS XBee Y XBee-PRO Vista superior y

vista lateral de las dimensiones

de los módulos XBee / XBee-Pro y

distribución de los pines principales.

ASIGNACIÓN DE PINES DE LOS MÓDULOS XBee Y XBee-PRO

Pin # 1 2 3 4 5

Nombre VCC DOUT DIN / CONFIG DO80* RESET

Dirección Salida Entrada Salida Entrada

6

PWM0 / RSSI

Salida

7 8 9

PWM1 [reservado] DTR / SLEEP_RQ / DI8

Salida Entrada

10 11 12

GND AD4 / DIO4 CTS / DIO7

Ambos Ambos

13 14

ON / SLEEP VREF

Salida Entrada

15

Asociado / AD5 / DIO5

Ambos

16

RTS / AD6 / DIO6

Ambos

Descripción Fuente de alimentación UART datos de salida UART datos de Entrada Salida digital 8 Módulo de Reinicio (pulso de reajuste, debe ser por lo menos 200 ns) PWM de salida 0 / Indicador de intensidad de señal de RX PWM de salida 1 No conectar Control de línea del pin dormido o entrada digital 8 Tierra Entrada analógica 4 o I/O digital 4 Control de flujo del canal listo para enviar o I/O digital 7 Módulo indicador del estado Tensión de referencia para las entradas A/D Indicador asociado, entrada analógica 5 o I/O digital 5 Control de flujo de la solicitud de envió, entrada analógica 6 o I/O digital 6

17 18 19 20

AD3 / DIO3 AD2 / DIO2 AD1 / DIO1 AD0 / DIO0

Ambos Ambos Ambos Ambos

Entrada anal贸gica 3 o I/O digital 3 Entrada anal贸gica 2 o I/O digital 2 Entrada anal贸gica 1 o I/O digital 1 Entrada anal贸gica 0 o I/O digital 0

ANEXO 9

COMANDOS AT MÁS IMPORTANTES PARA PROGRAMAR MODULOS RF XBEE

Comandos AT especiales Comando AT WR

RE FR

Nombre y descripción

Rango de Valores

Valor por defecto

Write, Escribe todas los parámetros deseados en la memoria no volátil del dispositivo. Una vez que se envía este carácter, no podemos enviar otro comando AT hasta recibir respuesta de confirmación del módulo Restore Defaults, Restaura los parámetros Software Reset, Responde inmediatamente con un OK, luego realiza un reset profundo del dispositivo el cuál toma alrededor de 100ms.

-

-

-

-

-

-

Comandos AT para Networking y seguridad

Comando AT CH

DH

DL

MY

Nombre y descripción

Rango de Valores

Channel, Define o lee el número del canal usado para transmitir y recibir datos entre módulos RF Destination Address High, Define o lee los 32 bits más altos de la dirección de destino de 64 bits. Combinado con DL, conforman la dirección completa de destino. Para transmitir usando direcciones de 16 bits, este parámetro se coloca a cero mientras el parámetro DL debe ser menor a 0xFFF Destination Address Low, Define o lee los 32 bits más bajos de la dirección de destino de 64 bits. Combinado con DH, conforman la dirección completa de destino. Para transmitir usando direcciones de 16 bits, este parámetro se coloca a cero mientras el parámetro DL debe ser menor a 0xFFF 16 bit Source Address, Define o lee la dirección de origen de 16 bits del módulo RF. Si este parámetro es seteado con el valor 0xFFFF se deshabilitará la recepción de paquetes con direcciones de 16 bits

0x0B – 0x1A

Valor por defecto 0x0C(12d)

0 0xFFFFFFF

-

0 – 0xFFFFFFF

0

0 – 0xFFFFFFF

0

SH

SL

Serial Number High, Lee los primeros 32 bits de la dirección única del módulo RF designada por la IEEE Serial Number Low, Lee los últimos 32 bits de la dirección única del módulo RF designada por la IEEE.

0 – 0xFFFFFFF (sólo de lectura)

Valor de fábrica

0 – 0xFFFFFFF (sólo de lectura)

Valor de fábrica

Comandos AT para la interfaz RF Comando AT

Nombre y descripción

Rango de Valores

PL

Power Level, Selección o lee el nivel de potencia con el cual el módulo trasmite los datos

0–4 0 = -10/10 dBm 1 = -6/12 dBm 2 = -4/14 dBm 3 = -2/16 dBm 4 = 0/18 dBm

Valor por defecto 4

Comandos AT para bajo consumo (Sleep) Comando AT SM

ST

Nombre y descripción

Rango de Valores

Sleep Mode, Define o lee las configuraciones del modo Sleep

0–5 0 = No Sleep 1= Pin Hibernate 2 = Pin Doze 3 = Reservado 4 = Cyclic Sleep Remote 5 = Cyclic Sleep Remote con un pin para wake up 1 – 0xFFFF (x 1ms)

ST Time Befote Sleep, Define o lee el periodo en el que el módulo debe permanecer inactivo (sin enviar ni recibir nada), antes de que se habilite el modo Sleep. Este tiempo es válido únicamente si SM es igual a4ó5

Valor por defecto 0

0x1388 5000d

Comandos AT para la interfaz serial Comando AT BD

Nombre y descripción

Rango de Valores

Baud Rate, define o lee el dato de la velocidad de interfaz serial para las comunicaciones, entre el puerto serial del módulo y el host.

0–7 0 = 1200 bps 1= 2400 bps 2= 4800 bps 3= 9600 bps 4= 19200 bps 5= 38400 bps 6= 57600 bps 7 = 115200 bps

Valor por defecto 3

RO

AP

PR

RO Packetization Timeout, Define o lee el número de caracteres o retardos entre caracteres, necesarios antes de la transmisión. Si el valor del parámetro está en cero, se transmitirán los datos apenas lleguen al búfer API Enable, Habilita o deshabilita el modo API

Pull – up resistor Enable, Define o lee la configuración interna para habilitar resistencias de pull – up para las líneas I/O

0x80 – 0x1C200 Para velocidades que no son estándar 0 – 0xFF

0–2 0= Deshabilitado 1 = API habilitado 2 = API habilitado con caracteres de control 0 – 0xFF

3

0

0xFF

Comandos AT para el manejo de los pines I/O Comando AT D8

Nombre y descripción

Rango de Valores

DI8 Configuración, Define o lee las opciones de configuración para la línea DI8 (pin 9) del módulo RF.

0–1 0 = Deshabilitado 3 = Entrada Digital (1,2,4,5) no usados 0–1 0 = Deshabilitado 1 = CTS habilitado 2 = no usado 3 = DI (entrada) 4 = DO (salida en bajo) 5 = DO (salida en alto) 0–1 0 = Deshabilitado 1 = RTS habilitado 2 = no usado 3 = DI (entrada) 4 = DO (salida en bajo) 5 = DO (salida en alto)

D7

DIO7 Configuración, Define o lee las opciones de configuración para la línea DIO7 (pin 12) del módulo RF. También se incluye la configuración para el control de flujo CTS

D6

DIO6 Configuration, Define o lee las opciones de configuración para la línea DIO6 (pin 16) del módulo RF. También se incluye la configuración para el control de flujo RTS

Valor por defecto 0

1

0

D5

D0 – D4

IU

IT

IS

IO

IC

IR

AV

DIO5 Configuration, Define o lee las opciones de configuración para la línea DIO5 (pin 15) del módulo RF. También se incluye la configuración para el led indicador de Asociación (se enciende cuando el módulo se asocia) (DIO0 – DIO4) Configuration, Define o lee las configuraciones para las siguientes líneas: AD0/DIO0 (pin 20), AD1/DIO1 (pin 19), AD2/DIO2 (pin 18), AD3/DIO3 (pin 17), AD4/DIO4 (pin 11).

También se incluye configuraciones para líneas ADC I/O Output Enable, Deshabilita o Habilita los datos digitales recibidos para ser enviados vía UART. Los datos son enviados usando una trama API sin importar el estado del parámetro AP Samples before TX, Define o lee el número de muestra a tomar antes de transmitir los datos. El máximo número de muestras depende del número de entradas habilitadas Force Simple, Obliga a leer todas las entradas habilitadas (DI o ADC). El dato se devuelve a través del UART. Si no hay entradas habilitadas (DI o ADC), este comando enviará un mensaje de error Digital output level, Devuelve el nivel digital de las salidas para permitir cambios en aquellas líneas configuradas como salidas a través del modo de comandos DIO Change Detect, Habilita o deshabilita el monitoreo de las líneas DIO 0 – 7. Si un cambio es detectado, el dato es transmitido solo con los datos digitales.

Cualquier muestra puesta en cola antes para ser enviada, será transmitida primero.

Sample Rate, Define o lee la tasa de muestreo. Cuando se configura este parámetro, el módulos muestrea todas las entradas habilitadas cada cierto intervalo específico ADC Voltage Reference, Define o

0–1 0 = Deshabilitado 1 = Led Indicador 2 = ADC 3 = DI (entrada) 4 = DO (salida en bajo) alto)

0

0–1 0 = Deshabilitado 1 = no usado 2 = ADC 3 = DI (entrada) 4 = DO (salida en bajo) 5 = DO (salida en alto) 0–1 0 = Disabled 1 = Enabled

0

1 – 0xFF

1

Mapa de bits de 8 bits (cada bit representa el nivel de una línea I/O configurada como salida)

-

-

-

0 – 0xFF

0 deshabilitado

0 – 0xFFFF

0

0–1

0

1

lee el voltaje de referencia ADC T0 – T7

P0

(Do – D7) Output Timeout, Define o lee el tiempo de los valores de salida que corresponden a los pines D0 – D7.

Cuando una salida es configurada con un nivel diferente al de defecto, un temporizador empieza a contar hasta terminar en cero, cuando esto ocurre, la salida regresa a su valor por defecto. Cuando un paquete digital válido es recibido, el timer se resetea.

PWM0 Configuration, Define o lee las funciones para el pin PWM0

P1

PWM1 Configuration, Define o lee las funciones para el pin PWM1

M0

PWM0 Output Level, Define o lee el nivel de salida del pin PWM0 PWM1 Output Level, Define o lee el nivel de salida del pin PWM1

M1

0 = VREF pin 1 = internal 0 – 0xFF

0xFF

0–2 0 = Deshabilitado 1 = RSSI 2 = Salida PWM 0–2 0 = Deshabilitado 1 = RSSI 2 = Salida PWM 0 – 0x03FF

1

0 – 0x03FF

-

0

-

Comandos AT para diagnóstico Comando AT VR HV EA

Nombre y descripción Firmware Versión, Lee la versión del software del módulo RF Hardware Version, Lee con detalle la versión del hardware ACK Failures, Resetea o lee el número de fallas en los acuses de recibo

Rango de Valores 0 – 0xFFFF (sólo lectura) 0 – 0xFFFF (sólo lectura) 0 – 0xFFFF

Valor por defecto Configuración de fábrica Configuración de fábrica -

Comandos AT opcionales Comando AT CN

AC

GT

Nombre y descripción Exit Command Mode, Abandona definitivamente el Modo de Comandos AT Apply Changes, Específicamente aplica los cambios de los parámetros conFigurados y reinicia el módulo Guard Times, Determina el período de silencio antes y después de una secuencia de comandos AT

Rango de Valores -

Valor por defecto -

-

-

2 – 0x0CE4 (x 1 ms)

0x3E8 (1000d)

ANEXO 10

SOLICITUD DE INSTALACION DE LA RED ZIGBEE EN LA SALA DE REUNIONES DEL EDIFICIO ADMINISTRATIVO DE LA PUCE SD

ANEXO 11

MANUAL DE USUARIO DE LA RED ZIGBEE

1

2012

MANUAL DE USUARIO DE LA RED ZIGBEE

Katherine Campoverde Ruth Jaramillo 17/01/2012

2

ÍNDICE DE CONTENIDO

1.

MANUAL DE USUARIO……………………………………………………………….. ..3 1.1.

BOTONES ........................................................................................................... 3

1.2.

MENÚ .................................................................................................................. 4

1.2.1.

LUZ ................................................................................................................... 4

1.2.2.

I (%) ................................................................................................................. 5

1.2.3.

SENSOR ............................................................................................................ 5

1.2.4.

T(C).................................................................................................................. 6

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Botones del dispositivo transmisor. .......................................................................... 3 Figura 2: Switch del dispositivo transmisor. ............................................................................ 4 Figura 3: Menú de opciones del dispositivo transmisor. .......................................................... 4 Figura 4: Luces encendidas o apagadas................................................................................. 5 Figura 5: Luminarias con intensidad al 30%. ........................................................................... 5 Figura 6: Modo ON establecida por defecto en la opción SENSOR. ....................................... 6 Figura 7: Temperatura en grados centígrados. ....................................................................... 6

3

1. MANUAL DE USUARIO El presente manual brinda la información necesaria para que el usuario del sistema manipule adecuadamente la Red ZigBee.

1.1.

BOTONES

El dispositivo transmisor está constituido por 5 botones como se muestra en la Figura 1.

4 4 4 4

Figura 1: Botones del dispositivo transmisor.

4 4

Fuente: Elaborado por los autores.

Botón 1: Desplazamiento hacia arriba.

Botón 2: Desplazamiento hacia abajo.

Botón 3: Resetear dispositivo transmisor.

Botón 4: ON (Encender luminarias) / Disminuir la intensidad de luz en las luminarias (I %).

Botón 5: OFF (Apagar luminarias) / Aumentar la intensidad de luz en las luminarias (I %).

Como una opción para el usuario el transmisor cuenta con un switch para encender o apagar el dispositivo, ver Figura 2.

4

Figura 2: Switch del dispositivo transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

1.2.

MENÚ

El transmisor ofrece un menú de opciones que permiten navegar y realizar las tareas de interés para el usuario. Ver Figura 3.

Figura 3: Menú de opciones del dispositivo transmisor.

Fuente: Elaborado por los autores.

1.2.1. Luz La primera opción, LUZ, permite encender las luminarias al seleccionar el modo ON y apaga las luminarias al seleccionar el modo OFF. Ver Figura 4.

5

Figura 4: Luces encendidas o apagadas.

Fuente: Elaborado por los autores.

1.2.2. I (%) La segunda opción, I (%), aumenta la intensidad de la luz al pulsar el botón “+”, o disminuye la intensidad de luz en las luminarias al pulsar el botón “-“. Ver Figura 5.

Figura 5: Luminarias con intensidad al 30%.

Fuente: Elaborado por los autores.

1.2.3. Sensor La tercera opción Sensor, permite encender o apagar el sensor de luz, por defecto para manejo del usuario estándar, la opción está establecida en modo ON, sin embargo con

6

objeto de pruebas futuras o cambios en el sistema se puede habilitar mediante programación el modo OFF. Ver Figura 6.

Figura 6: Modo ON establecida por defecto en la opción SENSOR. Fuente: Elaborado por los autores.

Al permanecer activado en modo ON, el sistema actúa de la siguiente forma: 

Si las luces están encendidas o hay suficiente iluminación y se detecta movimiento en la sala de reuniones las luces permanecen en su estado inicial.



Si las luces no están encendidas o no hay suficiente iluminación y se detecta movimiento en la sala de reuniones las luces se encenderán.



Si las luces están encendidas pero no se detecta movimiento en un lapso de 2 minutos, las luces se apagarán, y el sistema estará alerta ante algún cambio.

1.2.4. T(C) La cuarta opción T (C), presenta de manera continua la temperatura en grados centígrados del ambiente excepto cuando se manipula la intensidad, en este caso la temperatura se mantiene ya que no recibe los datos del sensor, ver Figura 7.

Figura 7: Temperatura en grados centígrados.

Fuente: Elaborado por los autores.

ANEXO 12

MANUAL DE INSTALACION DE LA RED ZIGBEE

1

2012

MANUAL DE INSTALACIÓN DE LA RED ZIGBEE

Katherine Campoverde Ruth Jaramillo 17/01/2012

2

ÍNDICE DE CONTENIDO MANUAL DE INSTALACIÓN …………………………………………………………. ..3

1.

1.1.

1.2.

1.3.

REQUERIMIENTOS DE INSTALACIÓN ............................................................. 3 INSTALACIÓN DEL RECEPTOR DE LA RED ZIGBEE ....................................... 3 INSTALACIÓN DEL TRANSMISOR DE LA RED ZIGBEE ................................... 8

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Switch del receptor para encender la red ZigBee. .................................................... 3 Figura 2: Uso del Multímetro para comprobar la fase y neutro de la instalación eléctrica. ...... 4 Figura 3: Cambio de switch por conmutadores. ...................................................................... 4 Figura 4: Fase del sistema eléctrico conectada a la fase del receptor. ................................... 5 Figura 5: Cables de sensor conectados a la salida del sensor en el receptor. ........................ 5 Figura 6: Instalación del sensor de movimiento. ..................................................................... 6 Figura 7: Instalación del dispositivo receptor de la Red ZigBee. ............................................. 6 Figura 8: Cargador del receptor conectado a la toma eléctrica. .............................................. 7 Figura 9: Cargador del módulo ZigBee conectado a la toma eléctrica. ................................... 7 Figura 10: Instalación del dispositivo transmisor de la Red ZigBee. ........................................ 8

3

1. MANUAL DE INSTALACIÓN El presente manual brinda la información necesaria para que la Red ZigBee pueda ser instalada en cualquier lugar que se desee.

1.1.

REQUERIMIENTOS DE INSTALACIÓN

Los requerimientos de instalación son los siguientes: 

Utilizar bombillas incandescentes de 60 W.



Se deben apagar las luces antes de conectar el receptor con el sistema eléctrico, y antes de encender el switch del receptor, ver Figura 1. El receptor mientras este prendido y los interruptores estén apagados tiene la prioridad sobre la gestión de las luminarias, si los interruptores se encienden estos tienen la prioridad de decidir el estado de las luminarias (encender).

Figura 1: Switch del receptor para encender la red ZigBee. Fuente: Elaborado por los autores.

1.2.

INSTALACIÓN DEL RECEPTOR DE LA RED ZIGBEE

Verificar con el multímetro la fase y el neutro de la instalación eléctrica existente en el lugar seleccionado para colocar el sistema, ver Figura 2.

4

Figura 2: Uso del Multímetro para comprobar la fase y neutro de la instalación eléctrica.

Fuente: Elaborado por los autores.

Realizar cambio de switch por conmutadores para permitir el funcionamiento del sistema manual y automático. Ver figura 3.

Figura 3: Cambio de switch por conmutadores.

Fuente: Elaborado por los autores.

5

Conectar la fase de la instalaciĂłn elĂŠctrica con la fase del dispositivo receptor, ver Figura 4.

Figura 4: Fase del sistema elĂŠctrico conectada a la fase del receptor.

Fuente: Elaborado por los autores.

Conectar los cables del sensor a la salida del sensor en el receptor, ver Figura 5.

Figura 5: Cables de sensor conectados a la salida del sensor en el receptor.

Fuente: Elaborado por los autores

6

Colocar el sensor de movimiento y el sensor de luz de preferencia en la puerta de ingreso del lugar a una distancia mínima de 1 metro y una distancia máxima de 3.6 metros en relación al piso, ver Figura 6.

Figura 6: Instalación del sensor de movimiento.

Fuente: Elaborado por los autores Instalar el receptor en un lugar fijo a la pared. Ver Figura 7.

Figura 7: Instalación del dispositivo receptor de la Red ZigBee. Fuente: Elaborado por los autores

7

Conectar el cargador del receptor coincidiendo con la fase en la toma eléctrica para alimentación del circuito, la flecha blanca indica la forma de conexión en la toma eléctrica, ver Figura 8, si se conecta mal el enchufe que alimenta al circuito receptor, este no funcionará.

Figura 8: Cargador del receptor conectado a la toma eléctrica.

Fuente: Elaborado por los autores Conectar el cargador del módulo ZigBee en la toma eléctrica del lugar. Ver Figura 9.

Figura 9: Cargador del módulo ZigBee conectado a la toma eléctrica.

Fuente: Elaborado por los autores

8

1.3.

INSTALACIÓN DEL TRANSMISOR DE LA RED ZIGBEE

El dispositivo transmisor al ser un control inalámbrico se lo puede colocar en el área que mas guste, es necesario recargar la batería para suministrar energía al dispositivo y obtener el óptimo funcionamiento del sistema. Ver Figura 10.

Figura 10: Instalación del dispositivo transmisor de la Red ZigBee. Fuente: Elaborado por los autores.

ANEXO 13 ACTA ENTREGA – RECEPCIÓN DE LA RED ZIGBEE

ANEXO 14

COSTO DE LA IMPLEMENTACIÓN DE LA RED ZIGBEE RUBROS

DESCRIPCIÓN

VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

HONORARIOS A PROFESIONALES

Electricista

$3

$ 48

Electrónico

$5

$ 200

Papel

$3

$6

Tinta

$ 30

$ 60

Stickers

$ 1,50

$ 4,50

Kit de desarrollo ZigBee

$ 410

$ 410

Microcontrolador

$ 10

$ 20

Sensor de Temperatura

$ 2,50

$ 2,50

Sensor de Movimiento

$ 16

$ 16

Sensor de Luz

$1

$1

LCD 16x4

$ 15

$ 14

Regulador de Voltaje 7805

$4

$4

Moc 3011

$2

$2

Resistencias

$ 0,10

$1

Baquelita

$6

$6

Ácido

$1

$1

Brocas Milimétricas

$ 2,50

$ 4,50

Pasajes de bus

$ 0,25

$ 60

Taxis Servicio de Internet Algún consumo extra

$2

$ 200

$ 50

$ 250

ÚTILES DE OFICINA

MÁQUINAS Y EQUIPOS

MATERIALES / INSUMOS

MOVILIZACIÓN /SUBSISTENCIA

MISCELÁNEOS IMPREVISTOS

COSTO TOTAL

SUBTOTAL

PROPORCIONAL (%)

$ 248

16,53%

$ 70,50

4,70%

$ 460,60

30,69%

$ 11,50

0,77%

$ 260

17,33%

$ 250

16,66%

$ 200

13,33%

$ 1.501

100%