2 Arquitectura de Sistema de control domótico
2.3 Red de Comunicación

Las redes de comunicaciones proporcionan conectividad entre los dispositivos bajo control, sensores y actuadores, por un lado y los controladores, incluyendo el control remoto en el otro lado. Actualmente, las redes se pueden dividir en tres categorías principales, según el medio de transmisión utilizado en el proceso:

  • comunicación a través de la red de alimentación
  • comunicación a través de red cableada
  • comunicación a través de red wireless

Comunicación a través de la red de alimentación

Se basa en el principio de la utilización de la instalación eléctrica de un piso. La transmisión de la señal está en el nivel de 20 kHz a 100 MHz. El estándar, que hasta hace poco ha dominado en esta área ha sido el X.10, posteriormente sustituido por HomePlug. HomePlug entró en vigor en 2010 (IEEE 1901). Su reciente versión - AV2 - permite alcanzar velocidades de transferencia de datos de hasta 500MB / s.

La principal ventaja de este tipo de comunicación es la posibilidad de utilizar la red eléctrica existente en el hogar.

La desventaja puede ser la separación de fases y la presencia del electrómetro o contador en el sistema eléctrico, lo que impide la transmisión de señales de datos.

Comunicación a través de red cableada

En esta área existen dos estándares abiertos - KNX y LON. El KNX es un estándar europeo (EN50090, 2003) e internacionales (ISO / IEC 14543-3, 2006) para la domótica y automatización de edificios. KNX es una abreviatura del nombre Konnex. Esta norma sustituye a las normas europeas más antiguas del EIB (Bus de Instalación Europeo), BatiBUS (utilizado principalmente en Francia) y EHS (Home Systems Europea).

LON significa Local Operating Network, introducido originalmente en 1990 y más tarde en 2008 como ISO / IEC 14908 como una solución para la automatización de edificios industriales, aeropuertos, estadios y alumbrado público.

En comparación con KNX y LON, la arquitectura de red operativa local utiliza una gestión descentralizada. Para grandes instalaciones, la gestión puede evitar un punto de control central, lo cual es importante en particular para instalaciones públicas con altas demandas en la disponibilidad.

Comunicación vía redes wireless

Hoy en día hay más tecnologías que permiten la transmisión inalámbrica tanto para la domótica como para la automatización de edificios.

Las velocidades de transmisión, frecuencia y modulaciones utilizadas para cada tecnología son diferentes. Un criterio de distinción importante puede ser la forma de alimentar los sensores, o incluir baterías para sensores independientes. La siguiente tabla resume la tecnología inalámbrica que se utiliza en la automatización del hogar [2].

Tecnologías Wireless utilizadas en domótica

EnOcean

Z-Wave or KNX-RF

ZigBee (802.15.4)

ZigBee (802.15.4)

Bluetooth (802.15.1)

WLAN (802.11)

Frecuencia

868

868

868

2400

2400

2400

Velocidad de transmisión (kbit/s)

125

30

20

250

720

11000-54000-100000

Rango (indoor/outdoor en metros)

30/300

9.6/20

30/500

30/500

10/100

20/50

Demanda de energía

extremadamente baja

baja

baja

baja

media

elevada

Riesgo de colisión de datos

muy baja

media

media

baja

muy baja

elevada

En la administración del edificio el uso de sensores inalámbricos siempre fue una segunda opción, sobre todo en los edificios ya existentes. Pero la existencia de nuevas normas de muy bajo consumo de energía de la fuente de alimentación ha cambiado gradualmente esta situación.

Interfaces inalámbricas tales como Z-Wave, ZigBee, BLE (Bluetooth Low Energy) y RFID (identificación por radiofrecuencia), se están integrando progresivamente en las tomas de corriente, controles de iluminación y electrodomésticos. Lo mismo ocurre con aplicaciones electrónicas de audio y video, en las que el módulo WLAN (WiFi) es parte del dispositivo, listo para transmitir contenido multimedia directamente desde Internet, con la posibilidad de ser totalmente controlado a través de los teléfonos inteligentes. Una nueva generación de tecnología inalámbrica es el estándar EnOcean, capaz de comunicarse en una línea inalámbrica a través de la energía de la luz o los cambios de temperatura en el ambiente o por medio de la valorización energética de los controles de iluminación de conmutación mecánicos.

El Sistema de control (controlador)

Como controlador se entiende un dispositivo de control que actúa como un "cerebro" en todo el sistema de automatización del hogar. En esta unidad se procesa la información recogida por los sensores y se envían comandos de control a los sensores. Estas órdenes permiten por ejemplo fijar el nivel al que los sensores deben enviar mensajes. Principalmente, el sensor es la unidad que envía la información recogida, de forma unidireccional a la unidad de control en el que se evalúa. Sobre la base de reglas predefinidas, la unidad de control envía una orden al actuador apropiado que realiza la acción deseada. El papel de este componente de control en toda la arquitectura también incluye el envió de mensajes de texto, correo electrónico o de notificaciones directamente a la unidad de control (a través de la aplicación en el teléfono inteligente / tableta).

Estas unidades ya tienen el sistema estándar operativo (OS) como Linux / Windows / OS-X, que están especialmente adaptados para estas unidades.

Si es necesario, las unidades de control suministran sistemas de alimentación ininterrumpida (Sistemas de Alimentación Ininterrumpida: UPS o SAI) o contienen una batería que en algún momento puede proporcionar independencia de la fuente de alimentación principal durante un corte de energía.

El control remoto

Una de las principales razones de la creciente popularidad de los sistemas de automatización del hogar en el segmento residencial es la capacidad de controlar todo el sistema a través de teléfono inteligente o tableta, más precisamente a través de las aplicaciones instaladas en el dispositivo de punto final. En los últimos años y también hoy en día se está produciendo un gran desarrollo de nuevas aplicaciones para los hogares.

El equipo terminal es conectado al sistema de casa a través de WLAN (WiFi), 3G / 4G (a través de Internet). El ajuste de control es posible no sólo para las áreas de la casa, sino también a distancia. En el pasado, este tipo de control remoto se realizó a través de la conexión de la unidad de control a la línea telefónica.

Comparación de tecnologías inalámbricas

ZigBee

ZigBee es un estándar de red que operan en el llamado modo enrutado, desarrollado por los miembros de la ZigBee Alliance [3]. Su nombre actual fue establecido en los años 90, el original fue llamado protocolo "HomeRF". La norma ratificada se lanzó públicamente en junio de 2005, como "estándar de radio ZigBee". Este estándar también define la seguridad de la red como una capa adicional a la norma IEEE 802.15.4 [4].

ZigBee ha sido propuesto para su uso en una amplia gama de diferentes tipos de aplicaciones, comenzando con la automatización del hogar que utiliza principalmente fuentes que funcionan con baterías y terminando con el uso industrial en la gestión de objetos grandes.

El estándar IEEE 802.15.4 se finalizó en 2003 como una red de baja velocidad inalámbrica personal (WPAN), que incluye varias capas. En particular, es el llamado Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), la capa de Radio física (PHY) y la capa de software de Control de aceso al medio (MAC).

Varios fabricantes de los chips ofrecen 802.15.4 como parte de un tablero integrado con un microprocesador y 128 kilobytes de memoria para aplicaciones ZigBee.

Los principales objetivos de la norma ZigBee son:

  • redes inalámbricas para la gestión de la industria, la conexión de los equipos médicos y domótica
  • Red de malla con su propia organización, sin la necesidad de una unidad de control, por ejemplo, en el caso de un fallo de la comunicación en la carretera. La función denominada "promotor de datos" de sensor remoto permite que se haga cargo el sensor más cercano
  • baja demanda de datos
  • bajo consumo de energía, al menos un año sin necesidad de recarga o cambio de batería

ZigBee define varios tipos de entidades o dispositivos:

Sólo los dispositivos FFD pueden controlar el encaminamiento en la red de malla. ZigBee para este propósito define la estructura en estrella que contiene RFD’s en los bordes de la red, también en la red híbrida, denominada árbol clúster.

ZigBee Radio 802.15.4 utiliza la frecuencia de 2,4 GHz, en los EE.UU. es de 915 MHz y 868 MHz en Europa. Las últimas dos frecuencias más bajas no recibieron el apoyo de los fabricantes que operan en el mercado para los consumidores finales.

Los fabricantes de dispositivos finales deben ser miembros de la Alianza ZigBee.

Z-Wave

Z-Wave es igual que ZigBee en red estándar que funciona en el modo enrutado. El titular de la patente para este protocolo es la empresa Sigma Design [4], que compró la patente de su creador, empresa Zensys de Dinamarca, en 2008 [4].

Este protocolo de comunicación inalámbrica se centra principalmente en aplicaciones para la automatización del hogar, donde los objetivos principales son:

  • soluciones de bajo coste para hogares estándar
  • baterías de larga duración para sensores
  • instalación fácil que pueda ser realizada por un usuario no especializado
  • conexión fácil del sensor a la red
  • interoperabilidad entre dispositivos de red de diferentes fabricantes

El protocolo de comunicación de los mensajes de tecnología Z-Wave los encamina utilizando Algoritmo de enrutamiento fuente (SRA). El algoritmo de enrutamiento fuente requiere desde el iniciador del informe (como iniciador se entiende dispositivo / sensor) hasta conocimientos sobre el diseño de otros sensores / dispositivos de la red. Con base a este conocimiento los mensajes se enrutan siempre a través de la ruta más corta. El mantenimiento de la base de datos actual y la remisión de la topología de red de dispositivos activos de la red es una tarea complicada para dispositivos de software, que también son responsables de otros dispositivos que pueden ser móviles en la zona, es decir, pueden cambiar su posición.

Z-Wave (Fig. 2.1) define una categorización diferente de equipo porque la lógica mencionada puede hacer que el precio del dispositivo / sensor sea demasiado alto. Así Z-Wave define los llamados esclavos (dispositivos subordinados). Un dispositivo esclavo no puede monitorear las condiciones mencionadas anteriormente, como dispositivos en movimiento, y por lo tanto está estáticamente programado para comunicarse con un dispositivo específico en la red. La lógica descrita es la funcionalidad más importante de este protocolo.

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Fig. 2.1 – Z-Wave

La creación de redes de radio Z-Wave está diseñada para cantidades limitadas de nodos, que pueden ser de hasta el 232 en la red. Sin embargo, los productores recomiendan un número máximo de nodos 30 a 50, donde cada uno se comunica en un intervalo de 5-15 minutos.

Los informes Z-Wave son de longitud variable. Sólo para su información, el cuerpo del mensaje puede tener un promedio de 4 a 6 bytes; la latencia no debe superar los 200 milisegundos.

También, en el caso de Z-Wave, los fabricantes de equipos que soportan dicho protocolo de comunicación tienen que ser miembros de Z-Wave Alliance.

Wifi

En los últimos años, Wi-Fi (IEEE 802.11) se ha convertido en el estándar para redes inalámbricas de banda ancha en los hogares o en las LAN corporativas. En consecuencia, han aumentado su popularidad dirigida hacia la automatización del hogar, especialmente en el campo de la transmisión de contenido multimedia entre dispositivos en casa.

El IEEE 802.11 es un estándar que actualmente viene con varias versiones a, b, g y n. El estándar 802.11a tiene licencia para la banda de 5 GHz y no se utiliza en instalaciones para los hogares ordinarios. Normalmente los usuarios utilizan 802.11b, g y n. La versión b, que se utiliza desde 1999, tiene una velocidad de transmisión de 11Mb/s. La siguiente versión es la g, con una velocidad de transmisión de 54 Mb/s, lanzada en el año 2002. La versión n cuenta con una velocidad de 100 Mb/s y superior, y comenzó a utilizarse en 2006. La red Wi-Fi se implementa normalmente en una topología de red en estrella. Esto no es una malla lo que significa que se trata siempre de comunicaciones punto a punto.

Las velocidades de transmisión de Wi-Fi están en la parte superior de todas las tecnologías inalámbricas utilizadas en casa.

La gran desventaja es el alto consumo de energía y un proceso de configuración complejo.

En el caso de una topología en estrella es importante pensar en el límite de alcance lo que suele ser de 50 a 100 m en un área libre. El punto de acceso central suele ser un controlador o router el cual suele estar conectado generalmente a través de una conexión Ethernet.

La gran ventaja de la tecnología Wi-Fi es que para las conexiones de red y el transporte de datos se usa el protocolo TCP/IP que se utiliza en Internet.

Wi-Fi también se utiliza para conectar la cámara IP en domótica. Las cámaras IP están conectadas a la red de suministro eléctrico y no dependen de batería. El flujo de datos transmitido se almacena en el lugar destinado a almacenamiento de datos de la vivienda a intervalos y calidad especificados. Esta operación puede ser controlada por un equipo de grabación, cada vez más común en el hogar, pero ahora ya va siendo reemplazado por una solución universal en forma de un punto de acceso Wi-Fi con el almacenamiento de datos de las viviendas.

Además de la transmisión del video de las cámaras IP, la red Wi-Fi también se utiliza para conectar cualquier dispositivo multimedia en el hogar, incluidos los dispositivos y ordenadores portátiles, entre los que es posible compartir contenido multimedia.

Bluetooth

Bluetooth está definido por Bluetooth SIG [5] y estandarizado en el IEEE 802.15.1 como la tecnología inalámbrica ad-hoc de punto a punto para una red de área personal PAN (Personal Area Networking).

Esta tecnología se ha propuesto también para conseguir un bajo consumo energía, pero está limitada en un radio de aproximadamente 10 metros (sin obstáculos). Bluetooth se utiliza principalmente en teléfonos móviles y auriculares inalámbricos, tabletas y PCs, especialmente como un reemplazo a los periféricos cableados.

La nueva versión de la tecnología de comunicación llamada Bluetooth de baja energía o Bluetooth inteligente trae nuevas oportunidades para las PAN. El desarrollo de esta tecnología en domótica se centra en el campo estrechamente relacionado con la sanidad en línea, que incluye el llamado Assisted Living. Puede ser un dispositivo o equipo colocado en el cuerpo o parte de la indumentaria utilizada diariamente, detectando características biométricas del usuario.

Esta tecnología es muy interesante también para los fabricantes de dispositivos móviles y tabletas. Los dispositivos más nuevos y el equipo contienen la interfaz Bluetooth referidos en especificaciones Bluetooth 4.0. La última versión se ha convertido en parte del estándar de Bluetooth en 2010 y se dio a conocer oficialmente por Nokia bajo el nombre Wibree.

Bluetooth opera en la banda de 2,4 GHz usando espectro ensanchado por salto de frecuencia FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), alcanza velocidades de transferencia de datos de 3Mb/s y la PAN soporta hasta siete nodos adicionales.

EnOcean

EnOcean es una tecnología inalámbrica basada en la explotación eficiente de la energía del entorno para alimentar a los sensores, es decir, convierte la energía térmica, electromagnética o solar en electricidad. El principio de obtención de la energía permite alimentar el módulo sensor con ultra baja energía.

EnOcean se ha convertido en un estándar en 2.012 (ISO / IEC 14543-3-10). Esta norma cubre tres capas del modelo OSI, la física, la de enlace y la de red. El titular de la patente es la empresa alemana EnOcean, fundada como spin-off de Siemens AG. El objetivo de EnOcean es desarrollar módulos inalámbricos que se puedan alimentar a sí mismos, sin la necesidad de añadir baterías.

Los paquetes transmitidos son relativamente pequeños, sólo 14 bytes de largo con una velocidad de transmisión de 125kbit/s. EnOcean se utiliza principalmente en aplicaciones específicas que no demandan la transmisión de grandes cantidades de datos, o sensores que no transmiten muchos datos. Esto puede ser, específicamente, los interruptores de luz, sensores de movimiento, humedad, sensores de temperatura, etc.

EnOcean utiliza múltiples frecuencias: 902 MHz, 928.35 MHz y 315 MHz.

Esta norma se utiliza principalmente en la automatización, logística y transporte de mercancías en la industria. Hoy en día se ha convertido muy popular también en el área de la domótica. Una vez más, el fabricante del módulo debe ser un miembro de la Alianza EnOcean.