Sistema de monitorización y telegestión remota basado en Arduino para Smart Buildings by Julio Rubén Sánchez Torrecilla

El presente artículo completo lo puedes encontrar en el siguiente link: Sistema de monitorización y telegestión remota basado en Arduino para Smart Buildings

Algunos de los materiales que utilizarán los puedes encontrar en nuestra tiena online Ferrustronix:

• Arduino Mega 2560 R3
• Ethernet Shield W5100
• Arduino Uno

RESUMEN

Domótica, Inmótica, Urbótica

La automatización y telecontrol no es un concepto nuevo. Estas tecnologías se pueden aplicar a diversos ámbitos: si nos referimos a una vivienda, estaríamos hablando de domótica, si se aplica a edificios, se conoce como inmótica, y si abarca a toda una ciudad podría definirse como urbótica.

En este trabajo nos hemos centrado en edificios como podría ser una torre de oficinas, una biblioteca, un pequeño campus como el de Gandía… aunque las soluciones que se plantearán, también tendrían cabida en una gran vivienda e incluso, con una configuración adecuada de las comunicaciones, podría servir para una red de locales de negocios que se encuentren en localizaciones remotas.

En los años 70 ya existían soluciones basadas en protocolo X-10 que permitían la comunicación entre sensores y actuadores de una vivienda que se comunicaban a través de la línea eléctrica.

Con el paso de los años, han ido apareciendo protocolos y sistemas cada vez más complejos y a su vez robustos, que cuentan con unas características más adecuadas a cada campo. Por nombrar algunos, en automatización de edificios y viviendas, podemos encontrar KNX y Lonworks, y en el ámbito industrial podríamos destacar Profibus, CAN, Modbus y un largo etcétera.

No es el objeto de este proyecto ahondar en los procesos de automatización y los buses de campo pues en este trabajo, el objetivo es el uso de otras tecnologías como las redes de datos para implementar un sistema de gestión de edificios.

Los sistemas de gestión de edificios, conocidos como BMS (Building Management System) suelen estar formados por un conjunto de sensores, actuadores, controladores, pasarelas, buses de campo y una aplicación o programa que sirva de interfaz hombre-máquina (HMI) para facilitar la gestión.

Cuando el edificio cuenta con unas infraestructuras de redes de datos y otros sistemas informáticos que permiten combinar y tratar la información de todos los subsistemas integrados (automatización iluminación, control HVAC, seguridad, control de accesos, consumos eléctricos…) con otros sistemas informáticos, como por ejemplo un ERP, estaríamos hablando de un “edifico inteligente” o “Smart Building”.

Como se ha comentado antes, esto solo es posible si partimos de un “edificio conectado” y apoyándonos en la tecnología IP.

Para la realización del proyecto se podrían haber empleado como hardware, módulos domóticos o algún PLC (Programable Logic Controller) existente en el mercado, pero como se ha comentado anteriormente, uno de los objetivos es realizar desde cero un sistema que permita aprender cómo controlar dispositivos de un edificio y los distintos sistemas que lo componen.

Por ello, se ha optado por una placa Arduino que es, en esencia, un microcontrolador con muchas ventajas y que cumple con todas las expectativas, como veremos. También existen otras opciones parecidas como podría haber sido una Raspberry Pi, Beagle One, un barebone… pero cada una de ellas cuenta con unas características específicas que las podrían convertir en mejores candidatas por algún motivo, pero son penalizadas en otros. Ventajas del modelo elegido:

• Precio. Existen multitud de modelos de placas originales, todos ellos de muy bajo coste, además de existir versiones de otros fabricantes.
• Sistema abierto. Existe la posibilidad de fabricar un modelo reducido más económico únicamente con los componentes necesarios y un micro Atmel pues contamos con toda la información y ficheros de diseño.
• Sistema muy didáctico. Debido a su configuración de hardware y la sencillez del lenguaje, unido a la cantidad de información y ejemplos existentes (compartidos por una gran comunidad), es posible empezar con pequeños proyectos de forma rápida y segura. Además, es compatible con multitud de módulos “plug&play” y el lenguaje Scratch.
• Entradas y salidas disponibles. En función de las necesidades del proyecto, podremos elegir entre las distintas placas, que cuentan con multitud de entradas y salidas digitales, entradas analógicas, así como puertos de comunicaciones.
• Amplia gama de versiones y accesorios compatibles.
• Muy extendido y estandarizado. Existen infinidad de librerías de libre distribución para poder comunicarse con hardware y software de terceros.

Desde el momento de la compra de los dispositivos han aparecido nuevos modelos de Arduino con más capacidades y mejoras, pero también suponen un sobrecoste y no aportaban grandes ventajas a este proyecto.

Arduino

Arduino es un una plataforma de hardware libre que se basa en un microcontrolador Atmel AVR y un entorno de desarrollo muy sencillo. Además del microcontrolador, Arduino, en la mayoría de las versiones, cuenta con múltiples entradas/salidas, puerto USB por el que cargar la programación y alimentarlo y otros elementos electrónicos, todo ello montado sobre una placa con conectores de fácil acceso y conexionado.

ARDUINO UNO

La placa Arduino UNO es de las más conocidas y utilizadas para introducirse en el aprendizaje de este dispositivo. En particular, la que se ha empleado es la versión R3 y es con la que se comenzaron a realizar los primeros pasos en este proyecto.

Arduino Mega 2560

La Arduino Mega 2560 R3 es una placa electrónica basada en el microprocesador Atmega2560 que cuenta con 54 entradas/salidas digitales (de los cuales 14 se pueden utilizar como salidas PWM), 16 entradas analógicas, 4 UARTs (puertos serie de hardware), un oscilador de cristal de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un conector ICSP y un botón de reset.

Es compatible con la mayoría de los shields diseñados para el Arduino Uno, Duemilanove o Diecimila.

COMUNICACIONES

Las placas de Arduino, como se ha comentado con anterioridad, cuentan con diversas formas y puertos de comunicación como puede ser el puerto serie (mediante USB o pines), el puerto I2C/TWI, SPI pero en este proyecto se pretende también aprovechar la comunicación mediante tecnología TCP/IP porque está presente en cualquier edificio y es una tendencia creciente. Actualmente están apareciendo modelos nuevos de Arduino que cuentan con puerto Ethernet ya integrado (por ejemplo Arduino YUN), pero en este proyecto se optó con anterioridad por los modelos UNO y Mega para los que existe la opción de instalarles un “Shield” que lo dote de comunicaciones, además de otras ventajas.

Ethernet Shield

Con ésta placa y la ayuda de la librería proporcionada, podremos conectar nuestra placa Arduino a internet y también realizar tanto un pequeño servidor web, como un cliente. La configuración de red se realiza mediante software, por lo que podremos adaptar con facilidad la placa a nuestra red local.

Dispone de un zócalo para tarjetas de memoria micro-SD para poder almacenar ficheros o para utilizarlo como servidor web embedido. También incluye un controlador de reset automático para que el chip interno W5100 esté bien reiniciado y listo para utilizar al arranque (la antigua versión necesitaba ser reiniciada manualmente al inicio).

La placa Arduino se comunica con el módulo W5100 y la micro-SD utilizando el bus SPI (mediante el conector ICSP). Esto se encuentra en los pines digitales 11, 12 y 13 en el modelo UNO y en los pines 50, 51 y 52 del modelo Mega. En ambas placas, el pin 10 es utilizado para seleccionar el W5100 y el pin 4 para la micro-SD. Estos pines no pueden ser utilizados para otros fines mientras la Ethernet Shield esté conectada. En el MEGA, el pin SS (53) no es utilizado pero debe dejarse como salida para que el bus SPI funcione correctamente.

Hay que tener en cuenta que el W5100 y la micro-SD comparten el bus SPI, por lo que sólo uno de ellos puede ser utilizado a la vez. Si se desea utilizar ambos simultáneamente, hay que tenerlo en cuenta al escribir el código.

BIBLIOGRAFÍA

SÁNCHEZ TORRECILLA, J. R. (2015). Sistema de monitorización y telegestión remota basado en Arduino para Smart Buildings (Doctoral dissertation).