Análisis para un sistema domótico con la arquitectura Arduino y Raspberry Pi, sobre TCP/IP by Orlando Patricio Chacón Molina

Raspberry Pi Domotica

Raspberry Pi Domotica

El presente artículo completo lo puedes encontrar en el siguiente link: Análisis para un sistema domótico con la arquitectura Arduino y Raspberry Pi, sobre TCP/IP

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

RESUMEN

En este documento se describe el procediendo realizado para la creación de una arquitectura domótica, basada en dispositivos de hardware y software abiertos (Arduino y Raspberry Pi), que funciona sobre una red TCP/IP. Inicia con una breve descripción de los fundamentos teóricos sobre los componentes de una red domótica.

Luego se muestra la definición de la arquitectura domótica, tanto a nivel de hardware como software. Seguido se detallan los métodos de comunicación entre dispositivos y elementos involucrados en una red domótica. Finalmente se realiza una demostración de implementación de la arquitectura desarrollada.

Las infraestructuras domóticas ofrecen un alto nivel de confort y control de un hogar, sin embargo, los costos elevados de los equipos hacen que su aplicación sea muy reducida. Por esta razón, se pretende crear una arquitectura basada en estándares de comunicación existentes y dispositivos de bajo costo, como Arduino y Raspberry Pi.

La domótica es un área en la que se puede experimentar para crear tecnología propia, como alternativa a las soluciones comerciales de alto costo. Se propone desarrollar una arquitectura domótica a partir dispositivos existentes, modificando, configurando e integrando componentes que permitan desarrollar dispositivos para los que quizá no fueron pensados, como “piezas aisladas”. Desde un punto de vista modesto, pero ambicioso, sería un avance significativo si a largo plazo se logra el desarrollo integral de la tecnología involucrada en esta investigación.

Si bien al finalizar esta investigación la arquitectura debe ser funcional y cumplir con los objetivos establecidos, para que pueda llegar a popularizarse debe madurar en muchos aspectos como funcionalidad, usabilidad y sobre todo fiabilidad. La madurez de la arquitectura no llegará sino con nuevas investigaciones que fortalezcan este pequeño aporte. Además, para el verdadero crecimiento, no solo de este trabajo, sino de cualquier área e índole, es necesario que diversas escuelas (no solo aquellas con relación técnica) se integren para que, unos con su capacidad comunicacional, otros con sus diseños o cualquier aporte pertinente, se logre obtener un solo producto, uno de calidad.

Introducción a la domótica

Etimológicamente, domótica proviene del latín domus (casa) y del griego aútóµatoç (automática). Se usa el término para determinar el intricado lugar de encuentro entre vivienda, tecnología y el ser humano. (Domínguez & Sáez Vacas, 2006, pág. 15)

Algunos autores expresan que el inicio de la domótica se remonta a los años sesenta cuando aparecieron los primeros dispositivos X-10, que funcionaban mediante las líneas eléctricas del hogar (Madrid vive ahorrando energía, 2007, pág. 15); sin embargo, con la popularización y evolución de los computadores personales y posteriormente los dispositivos móviles inteligentes, se ha dado lugar a la aparición y evolución de los sistemas domóticos como KNX, Lonworks y un sinnúmero de otras arquitecturas, tanto abiertas como propietarias.

Una de las principales funciones de la domótica es ofrecer confort al usuario, al tiempo que reduzca el consumo energético. Especialmente debe ofrecer facilidad en el control, monitoreo y gestión de circuitos de iluminación, climatización, control de acceso, control de utilización energética. (Domínguez & Sáez Vacas, 2006)

Componentes de una red domótica

Para el funcionamiento de una red domótica convergen una gran diversidad de componentes electrónicos, mecánicos, eléctricos, hidráulicos y otros. Para esta investigación se ha clasificado en cinco categorías de acuerdo a su función dentro del sistema domótico, estos son: sensores, actuadores, controladores, aparatos electrónicos inteligentes y sistemas informáticos.

Sensores

Son dispositivos que recopilan información del entorno (presencia, calor, movimiento, humedad, etc.) y la transmiten a otros equipos para su procesamiento (Domínguez & Sáez Vacas, 2006, pág. 51). En base a esta información pueden tomarse decisiones sobre cambios de estado de equipos controlados.

La mayoría de los sensores no producen directamente voltajes de salida, al contrario, actúan como dispositivos pasivos, generalmente resistivos, cuyo valor cambia en función del estímulo físico que es capaz de detectar (Wilson, 2005, pág. 17). En un circuito básico basta con agregar una resistencia de valor fijo (resistencia de carga) en serie con el sensor, conectar a una fuente de poder y medir el voltaje en la resistencia de carga. Luego, mediante la ley de OHM o las Kirchhoff se puede calcular el valor de la resistencia, voltaje o corriente, y de esta forma es posible conocer el nivel del fenómeno medido. Entonces, si se conoce la relación entre la resistencia y el fenómeno físico, se podrá obtener el valor leído por el sensor.

Fotorresistencia (LDR) Una fotorresistencia o LDR (del inglés – Light Dependant Resistor) es un sensor basado en una resistencia cuyo valor disminuye cuando existe luz incidente sobre el mismo e incrementa cuando se encuentra en ambientes de baja iluminación (Margolis, 2012, pág. 186).

Termistor

Un termistor es un componente electrónico que actúa como resistencia variable y cambia su resistividad en función de la temperatura. Existen dos tipos:

  • Coeficiente de temperatura positivo (NTC- Negative Temperature Coefficient)
    • Incrementa su resistividad con el aumento de temperatura.
  • Coeficiente de temperatura negativo (PTC- Positive Temperature Coefficient)
    • Disminuye su resistividad con el aumento de temperatura.

Sensores de Humedad Resistivos.

Los sensores de humedad resistivos generalmente tienen una relación exponencial inversa a la humedad, básicamente debido a que el agua es un conductor de baja resistencia y cuanto más se acumule en el sensor, menor será su resistencia al paso de corriente. Estos sensores resistivos no responden linealmente al cambio de humedad, pero puede ser linealizado analógica o digitalmente.

Actuadores

Los actuadores son dispositivos capaces de recibir órdenes de los sistemas de control y en función de estas realizar cambios en los equipos, como encenderlos o apagarlos, incrementar o disminuir su nivel de intensidad y abrir o cerrar. (Domínguez & Sáez Vacas, 2006, pág. 52)

Los sistemas de control emiten señales a los actuadores para que estos últimos entren en funcionamiento, se detengan, incrementen, disminuyan o realicen otra acción para la cual hayan sido creados.

Entre los dispositivos actuadores más comunes y que se mencionaran en secciones posteriores se encuentran: relés (permiten la apertura o cierre de circuitos), motores, servomotores, electroválvulas, bombas hidráulicas eléctricas y circuitos de regulación de intensidad. Estos últimos están compuestos de TRIACs (del inglés – Triode for Alternating Current) DIACs (Diode for Alternating Current), resistencias, capacitores y opto-acopladores.

Controladores

Dentro del marco de esta investigación se define como controlador a los dispositivos que mantienen la inteligencia del sistema. En este contexto se diferencian dos tipos:

Controladores Terminales (CT): estos se encargan de la comunicación con los sensores, actuadores, pulsadores y los controladores centrales. Debe tener la capacidad de operar, si bien no con todas sus características funcionales, sin la presencia de un controlador central. Este puede recibir órdenes de los controladores centrales, al igual que enviarle notificaciones.

Controladores Centrales (CC): su función principal es la unificación del sistema domótico. A este dispositivo llegan las órdenes y notificaciones procedentes de los CT y de dispositivos informáticos externos que pueden ser móviles o fijos (PC). Cuando la orden procede de un dispositivo externo (móvil o fijo), el CC la registra y reenvía al CT para que este a su vez transfiera una señal al actuador y se realice el cambio de estado solicitado.

Aparatos electrónicos inteligentes

Son dispositivos que principalmente tienen como finalidad el ocio y entretenimiento. En esta categoría se encuentran los televisores inteligentes, teléfonos inteligentes y sistemas de audio conectados mediante una red multimedia y haciendo uso de la red de Internet. Finalmente, aunque no están catalogados como aparatos de ocio ni entretenimiento, los dispositivos de teleasistencia médica también son considerados dentro de esta categoría. (Domínguez & Sáez Vacas, 2006, pág. 55)

Introducción a la plataforma Arduino

Arduino es una plataforma de hardware abierta, diseñada para la realización de prototipos. Existen diversos modelos, pero, en este caso se usa específicamente el Arduino UNO, el cual consta de un microcontrolador (ATmega328), una entrada USB que sirve como alimentación y conexión de datos a la PC, un conector de alimentación al que se puede conectar una fuente externa como baterías o pilas, un botón de reinicio, entradas y salidas tanto digitales (14 pines) como analógicas (6 pines).

Arduino (El modelo puede variar en la imagen)

La funcionalidad de este dispositivo puede extenderse mediante el uso de tarjetas complementarias para Arduino (shields) que pueden ser conectadas a la placa base. Por ejemplo: la tarjeta Ethernet Shield, es una placa que encaja sobre la tarjeta Arduino y usa los pines digitales 10,11,12 y 13 para la comunicación, permite agregar la funcionalidad de conexión Ethernet y por lo tanto proporcionar comunicación IP.

Entre las funciones que se pueden efectuar con una tarjeta Ethernet Shield está la de actuar como servidor o cliente http. (Web Arduino, s.f.).

Si bien los proyectos desarrollados con Arduino pueden interactuar con el computador u otros dispositivos informáticos, no constituyen un requisito para su funcionamiento, es decir, tiene la capacidad de ejecutarse de manera independiente.

Introducción a la plataforma Linux (Raspbian OS sobre Raspberry Pi)

Raspberry Pi es un computador de bajo costo y consumo eléctrico además de unas dimensiones muy reducidas. Este equipo tiene una arquitectura de procesador ARM (Broadcom BCM2835) y posee diversas interfaces de hardware para la comunicación y conexión con otros dispositivos.

Raspberry Pi 2 Model B

Raspberry Pi 2 Model B

Es desarrollado y mantenido por Raspberry Pi Foundation, diseñado inicialmente por Eben Upton desde 2008, en 2011 los primeros modelos, versión Alfa, fueron producidos y probados. Finalmente, en 2012 sale al mercado de consumo, con dos modelos previstos (A y B). El modelo A, a diferencia del B, no posee conexión Ethernet, además el primero dispone de 256MB de memoria RAM, mientras el segundo tiene 512MB. El consumo eléctrico al igual que el precio del modelo B respecto al A son superiores. (Andrew, 2013, pág. 9)

En el computador Raspberry Pi se han incluido varios componentes para soportar diversos modos de comunicación. Básicamente soporta:

Conexión USB

Posee dos puertos USB y un micro USB, en los cuales pueden conectarse prácticamente cualquier dispositivo USB soportado por la plataforma Linux.

Video RCA

Es un conector usado para conexiones de dispositivos audiovisuales, en el caso de Raspberry Pi se usa únicamente un conector para video (Amarillo).

HDMI

El puerto HDMI (del inglés: High Definition Multi-media Interface) permite la conexión con Televisores o monitores de alta definición, adicionalmente soporta audio.

Audio (Conector de 3.5mm)

Este puerto permite la conexión de audífonos o parlantes analógicos.

Conectividad Ethernet

Permite establecer conexiones con dispositivos IP tanto de redes locales o externas.

Tarjetas SD

La tarjeta SD actúa como dispositivo de almacenamiento primario, donde se encuentra instalado el sistema operativo.

GPIO pins.

GPIO pins (del inglés: General Purpose Input/Output pins), es un conjunto de pines digitales de entrada y salida de propósito general, los cuales son programables.

El sistema operativo más común que se encuentra disponible para esta plataforma es Raspbian OS. Este SO está basado en Linux-Debian y ha sido optimizado para trabajar con los escasos, pero suficientes, recursos que posee este dispositivo.

La principal función del dispositivo Raspberry Pi dentro de esta investigación es la de actuar como mini servidor. Este proporciona una pasarela que unifica al sistema domótico interno y gestiona la comunicación hacia el exterior mediante la red de datos.

Expone servicios web para que otros equipos los consuman o los desarrolladores amplíen la funcionalidad y usabilidad de sistema domótico.

El equipo Raspberry Pi puede ser sustituido por un computador con Linux, pero, se ha preferido este debido a su bajo costo, reducido consumo eléctrico y tamaño físico relativamente pequeño en comparación con la mayoría de computadores.

BIBLIOGRAFÍA

Molina, O. P. C., & Mdhd, D. C. Análisis para un sistema domótico con la arquitectura Arduino y Raspberry Pi, sobre TCP/IP.

 

You may also like...

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *