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Nota técnica

lámbricas existentes, ZigBee es una de las que se utilizan en la automatización de edificios. Por lo tanto, la propuesta de este proyecto consis-te en desarrollar un sistema de automatización mediante microcontroladores y redes inalámbri-cas usando transmisores Xbee, con la finalidad de ofrecer soluciones de ahorro de energía por medio de la automatización de la iluminación y el control del aire acondicionado a través de Internet. Cada estación de transmisión consis-te en un microprocesador PIC y un transmisor Xbee que transmite de forma inalámbrica la in-formación a una computadora central.

Index Terms— Microcontrollers, Smart ho-mes, Wireless networks, Zigbee.

I. Introducción Desde los últimos años, los controles com-

putarizados son cada vez más comunes en los hogares. Hoy en día, en la mayoría de los aparatos electrónicos y electrodomésticos, se pueden encontrar circuitos integrados median-te los cuales se pueden programar acciones de control. Además, el uso del internet se ha ido incrementando en los edificios tanto resi-

Control de iluminación no residencial con tecnología inalámbrica ZigBee y Ethernet

Abstract— The use of wireless technology in the automation of non-residential buildings has increased due to the advantages such as reduc-ing costs and easy installation, so that only little changes to the building aesthetics are required to assembly. Among the multiple wireless tech-nologies existent, ZigBee is one those used in building automation. Therefore, the proposal of this project consists of developing an automation system by means of microcontroller and wire-less networks using XBee transmitters, in order to provide saving energy solutions through au-tomation of lighting and air-conditioning control over the Internet. Every station of transmission consists in a PIC microcontroller and a XBee transmitter that transmits in an wireless way the information to a central computer.

Resumen— El uso de la tecnología inalám-brica en la automatización de edificios no re-sidenciales se ha incrementado debido a las ventajas, tales como la reducción de los costos y fácil instalación, por lo que se requieren al-gunos cambios en la estética del edificio para el montaje. Entre las múltiples tecnologías ina-

Por José de Jesús Moreno Vázquez, et allesInstituto Tecnológico de Manatitlán, México

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denciales como no residenciales lo cual pro-porciona muchas ventajas para poder desa-rrollar sistemas automatizados con los cuales puede tener comunicación.

El desarrollo de sistemas de control inteli-gente basados en circuitos digitales y el uso de la red de internet, busca aprovechar al máximo otras áreas de aplicación que contribuyan al bienestar de las personas que puedan contar con este tipo de tecnología. Tal es el caso del ahorro de energía eléctrica, contribuyendo así no solo a disminuir los altos costos que significa un mal uso de estos recursos, sino que también se favorece al medio ambiente puesto que para generar la energía eléctrica se contamina y se explotan más los recursos no renovables [1],[2].

El uso de la tecnología inalámbrica en la au-tomatización de edificios no residenciales se ha incrementado debido a las ventajas, tales como la reducción de los costos y que son de fácil instalación, requiriendo de algunos cambios en la estética del edificio para el montaje que no se conseguiría con tecnología cableada [3].

El uso de sistemas computarizados basados en microcontroladores proporciona alternativas para realizar el control de iluminación de ma-nera manual con interruptores de pared o auto-máticamente, permitiendo a un sistema integral que pueda controlar el encendido/apagado de las lámparas de un edificio.

Existen tres tipos de tecnología de comuni-cación inalámbrica de corto alcance (WiFi, Blue-tooth y ZigBee). La tecnología Wi-Fi [4] es una de las redes de área local inalámbrica de mayor éxito basada en estándares IEEE 802.11. Por lo general, el ancho de banda Wi-Fi es mayor

que el de otros tipos de conexión a internet como ADSL, GPRS y 3G. Además, el retraso de transmisión de la red Wi-Fi es menor [5]. Los estándares IEEE 802.15.1 (Bluetooth) [6],[7] e IEEE 802.15.4 (ZigBee) [8],[9] son las que más prometen en el uso de redes de sensores ina-lámbricos. Sin embargo, la tecnología ZigBee presenta mejores características que Bluetooth al consumir menor energía y por ende mayor duración de la batería [10], baja tasa de datos proporcionando una flexibilidad de red más ele-vada que Bluetooth. Además, puede admiter el uso de diferentes topologías y permite una gran cantidad de nodos (más de 65000) de acuerdo a las especificaciones, teniendo un rango de transmisión (1-100 m) de mayor cobertura que Bluetooth (1-10 m) [11]-[13]. Además, el proto-colo acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisiones (CSMA-CA) reduce la probabilidad de interferir con otros usuarios y soporta una velocidad de 250 Kbps a 2,4 GHz, si necesidad del uso de licencias dentro de un rango de 10 a 75 m. Las prestaciones que ofre-ce ZigBee hacen que este tipo de tecnología vaya en ascenso, teniendo una amplia gama de aplicaciones. Por otra parte, las especifica-ciones ZigBee mantienen una mejor compati-bilidad entre sus diferentes versiones [14],[15]. Por lo tanto, la tecnología ZigBee y WiFi, fueron elegidas para construir la red de control de ilu-minación en edificios no residenciales.

II. Desarrollo A. Desarrollo del hardware En la Fig.1 se muestra el diagrama a bloques

del sistema de control y monitoreo. Se observa

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Nota técnica

que el rectángulo con línea discontinua indica la red maestro-esclavo formada por el maestro primario (MP) y los maestros secundarios (MS), mientras que el rectángulo con línea continua muestra la red maestro-esclavo formada por los MS y los dispositivos de interfaz (DI). Todas las tarjetas desarrolladas se comunican por radio-frecuencia mediante dispositivos XBee. Los pa-rámetros de comunicación serial utilizados en los microcontroladores de todos los módulos es de 8 bits de datos, sin paridad, 1 bit de parada y 9.600 bps.

1) Módulo del maestro primario (MP): la tar-jeta del módulo del MP está integrada por un microcontrolador PIC16F876A que procesa los comandos provenientes de la aplicación cliente (AC) para después realizar el control sobre los MS, y éste a su vez sobre los DI. También cuen-ta con un convertidor Ethernet-Serie EM202 del fabricante Tibbo, dedicado a recibir datos por TCP/IP. En la Fig. 2, se muestra el circuito eléc-

trico del módulo del MP. El MP manda datos se-riales vía UART al EM202 y al XBee, los datos salen de pines diferentes del microcontrolador, para evitar interferencia de los datos destinados a dispositivo de transmisión. El MP recibe datos seriales del convertidor Ethernet-Serie EM202 y del XBee en la UART del microcontrolador. En este caso las dos líneas de datos de entrada son multiplexadas con un 74LS157 para evitar colisiones entre ellas al contar el microcontrola-dor con una sola UART. El MP se conecta direc-tamente al EM202 e inalámbricamente con los MS por medio de un XBee.

2) Módulo del maestro secundario (MS): en la Fig. 3 se muestra el circuito del MS formado por el microcontrolador PIC16F873A, destinado a proce-sar los comandos provenientes del MP para reali-zar el control de los módulos DI. El microcontrola-dor en esta tarjeta opera a su máxima frecuencia (10 MHz). El MS es capaz de detectar presencia, temperatura, iluminación y de encender o apagar el aire acondicionado. Además, estas variables son enviadas al MP y necesarias para que el MS controle el área que tiene asignada.

Para realizar las funciones mencionadas el Figura 1: Diagrama a bloques del sistema de control

y monitoreo remoto total

Figura 2: Circuito del maestro primario

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MS cuenta con los siguientes elementos: - Sensor de ocupación, dispositivo PIR de PA-RALLAX con lente de Fresnel que genera una salida de 0 a 5 V cuando existe o no movimiento. - Sensor de temperatura, dispositivo LM35 con una resistencia a tierra de 220 Ω, propor-ciona un voltaje de 10 mV/°C. La salida del LM35 se conecta directamente a la entrada del ADC del PIC16F873A que está configurado con un voltaje de referencia de 2,55 volts. - Sensor de iluminación, circuito formado por una fotorresistencia 9P5-1L de 2 MΩ en oscu-ridad y 50 KΩ a plena luz. Con él se detecta una intensidad luminosa de hasta 1.900 luxes. La salida del circuito va directamente al ADC del PIC16F873A configurado con un voltaje de referencia de 2,55 volts. - Emulador de control remoto de infrarrojos, circuito que emula el encendido/apagado del control remoto del aire acondicionado. Está for-mado por un LED infrarrojo (IRled) y un tran-sistor 2N2222A que actúa como interruptor; mientras que la resistencia de 330 Ω limita la corriente que circula al IRled.

Para su funcionamiento se genera una se-ñal PWM emitida por IRled hacia el aire acon-dicionado.

3) Circuito de los dispositivos de interfaz (DI): se encarga de controlar las lámparas del laboratorio de electrónica a petición del MS o de la AC. En la Fig. 4 se muestra el circuito de control del DI que enciende y apaga las lumi-narias. Éste contiene un PIC18F1220 que ope-ra con una frecuencia de 4 MHz y atiende las peticiones del MS, tales como encender/apagar

los DI e informarle de su estado y un XBee así como una etapa de potencia propuesta por el fabricante Fairchild semiconductor basada en un MOC3031 y un triac BTA12. El tipo de con-trol utilizado en los DI es ON/OFF.

B. Desarrollo del software El lenguaje C fue utilizado para programar

los microcontroladores de cada módulo usando el PIC C Compiler de CCS.

1) Aplicación cliente (AC): está escrita en Vi-sual Basic 6.0 y utiliza el control Winsock para la comunicación TCP/IP con el maestro prima-rio. En la Fig. 5a se aprecia una captura de la pantalla desarrollada de la vista superior del Instituto Tecnológico de Minatitlán, así como la barra de herramientas que contiene. La figura 5b muestra una captura de pantalla del esque-ma del Departamento de Electrónica indicados con una flecha el área del laboratorio y los cu-bículos del Departamento de Electrónica donde se instaló el sistema, éstas áreas están repre-sentadas por íconos. Al ser rojos, indican que no hay respuesta por parte de los MS, en caso de estar en verde significa que sí existe comu-

Figura 3: Circuito del maestro secundario

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Nota técnica

nicación con el MS de esa área. Los iconos en gris representan las áreas a las que no se les ha asignado un MS. En la Fig. 5c puede observar-se un acercamiento de un área específica. En la parte superior izquierda de cada una de las ventanas, se muestran los estados de los sen-sores de ocupación, iluminación y temperatura de cada área. También se muestran tres íconos cuadrados al centro que representan a las tarje-tas DI (donde cada tarjeta controla un grupo de tres luminarias), dichos íconos grises represen-tan no ocupación o falla en la comunicación.

El funcionamiento básico de la AC se mues-tra en el diagrama de flujo de la Fig. 6, este pro-grama es el que está en la PC del usuario y mantiene el monitoreo de los MP, MS y DI indi-cando cuáles están en función, además de pro-porcionar los datos de ocupación temperatura y los niveles de iluminación.

2) Desarrollo del software del módulo maes-tro primario: en la Fig. 7 se presenta el diagrama de flujo del programa del MP. Puede observarse en el diagrama que el MP está en espera de comandos por parte de la AC, si recibe alguno, lo procesa; en caso contrario, les pide a los MS

los estados de los DI que controlan; posterior-mente, manda los estados a la AC, y se repite este proceso indefinidamente.

Figura 4: Circuito de los dispositivos de interfaz

Figura 5: Aplicación cliente: a) Pantalla del plano de toda la institución

b) Pantalla de la distribución del Departamento de Electrónicac) Acercamiento del área del Laboratorio de Electrónica

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3) Desarrollo del software del módulo maes-tro secundario: en la figura 8, se presenta el diagrama de flujo del funcionamiento del MS. Puede verse que el MS atiende los eventos de las peticiones del MP y los cambios en el nivel de iluminación, como respuesta a ello encien-de/apaga cierto número de DI para compensar el cambio en la iluminación. En la programación del MS se han definido cuatro umbrales para distinguir entre las diferentes intensidades de iluminación presentes en cada área. Depen-diendo la intensidad luminosa en cada área se encienden o apagan una cantidad de luminarias de manera proporcional, con el fin de mantener una intensidad luminosa promedio. Las áreas tienen 9 luminarias: se encienden 9, 6, 3, 0 de acuerdo al nivel presente 0, 1, 2 o 3. Además, si no existe movimiento durante 30 minutos en el área, el sistema apaga los DI asociados a ese MS y el aire acondicionado. Al detectar ocupa-ción, temperatura, iluminación y de encender o apagar el aire acondicionado, estas variables son enviadas al MP cuando éste lo requiere, de igual manera los comandos que el MP envía al MS actúan sobre el control de los DI.

4) Desarrollo del software de los dispositivos de interfaz: el la Fig. 9 se muestra el diagrama de flujo de operación de la DI. Éste controla las lám-paras inicializando el valor de su estado a cero en cada reinicio. Solo pueden cambiar su estado por orden del MS o de la AC a través del MP, pero la orden siempre llegará a los DI de parte del MS. Además, son capaces también de responder cuando el MS les pregunta sobre su estado. El estado del DI se inicializa en cero y se queda a la espera de comandos provenientes del MS.

III. Resultados La prueba para determinar el ahorro de

energía se desarrolló en dos aulas del Depar-tamento de Electrónica del Instituto Tecnoló-gico de Minatitlán, un área correspondiente al laboratorio de electrónica y otra en un área de cubículos. Cada área tiene 9 luminarias (Lum) con 2 lámparas fluorescentes compactas T5 de

Figura 6: Diagrama de flujo de la Aplicación Cliente

Figura 7: Diagrama de flujo del Maestro Primario

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Nota técnica

39 W que son controladas en grupos de 3 Lum. En esta área se colocó 1 MS y 3 DI para cada grupo de Lum. Además, se instaló el sensor de ocupación en el techo, el sensor de temperatu-ra y IRled para controla el aire acondicionado enviándose a través de él una señal con fre-cuencia de 38 KHz. El algoritmo del MS respon-de a la intensidad luminosa medida, que oscila

entre 0 y 1900 luxes en un día muy soleado, a partir de esto se establecieron cuatro nive-les de umbrales de iluminación para encender/apagar las lámparas a través de los DI, con el fin de compensar los cambios de iluminación como se muestra en la tabla I. Para compensar la poca iluminación cuando se da el caso de nivel 0 (muy poca iluminación) el MS enciende todas las luminarias del área; cuando se tiene nivel 3 (mucha iluminación), el MS las apaga; mientras que si se presenta los niveles 1 y 2, se encienden un número proporcional (tres o seis) para compensar los cambios de iluminación y mantenerla homogénea en el área controlada durante todo el día.

En la Fig. 10 se observa la tarjeta del MP del prototipo desarrollado. Puede observarse el enlace con el dispositivo serial Ethernet. Al realizarse la comunicación, la AC intenta co-nectarse vía TCP/IP al MP y la librería Winsock reporta si el enlace se realizó de manera satis-factoria o no. Al establecerse la comunicación, la AC indica el estado de la conexión en la parte inferior izquierda de la pantalla con la leyenda conectado (Fig. 5) y se empiezan a recibir da-tos del MP. Para evaluar el monitoreo de da-tos con el PC se utilizó con el programa X-CTU de Maxstream, cuya utilidad es configurar los XBee. En la Fig. 11 puede verse una captura de

Figura 8: Diagrama de flujo del Maestro Secundario

Figura 9: Diagrama de flujo de los dispositivos

de interfaz

Tabla I

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ventana del programa en modo terminal (mo-nitor) recibiendo datos de la red de los XBee comunicándose entre ellos.

El comando setDEV –d81 se mandó a través del terminal y el DEV con la dirección 81 res-ponde con .DEV81 encendido.

El comando MPsetDEV –d81 se mandó a través del terminal y el MS lo procesa y lo repite como setDEV –d81, y posteriormente el DEV con la dirección 81 responde con .DEV81 en-cendido. El comando setDEV –d82 se mandó a través del terminal y el DEV con la dirección 82 responde con .DEV82 encendido. El comando MPsetDEV –d83 se mandó a través del termi-nal y el MS lo procesa y lo repite como setDEV –d83, y posteriormente el DEV con la dirección 81 responde con .DEV83 encendido.

En la Fig. 12 se muestra el módulo del MS y DI respectivamente que son monitorizados por el MP.

En la Tabla II se muestra el porcentaje de consumo de energía logrado con el sistema pro-puesto de acuerdo al nivel de iluminación en él área y la hora del día. Por lo tanto, el número efectivo de las luminarias encendidas es de 7 Hrs. Lo que correspondería a un ahorro del 53% de las 15 horas de operación. Sin considerar el tiempo que permanecen apagadas las lámparas cuando el sensor de ocupación entra en función.

Sin el sistema implementado las 9 lumina-rias de cada área estarían encendidas la mayor parte del día, puesto que no puede compensar la iluminación que entra por las ventanas.

Figura 10: Tarjeta del maestro primario del sistema

Figura 11: Monitoreo de una comunicación entre un MS y 3 DI

Figura 12: Tarjeta de sistemaa) Módulo maestro secundario

b) Módulos de los dispositivos de interfaz

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Nota técnica

y consumo de energía. Además de que el sis-tema se rige por estrategias para el control de la iluminación mediante umbrales que permiten mantener una iluminación en el área constante.

Reconocimiento Al Fideicomiso del Instituto Tecnológico de

Minatitlán por el apoyo en la realización de este trabajo.

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IV. Discusión El uso de tecnología inalámbrica de corto al-

cance en la utilización de edificios inteligentes se está empleando más en la actualidad [16]-[18]. Sin embargo, la comunicación según sea la tec-nología inalámbrica empleada, presenta incon-venientes [18]. No obstante, las comunicaciones inalámbricas no se basan solo en un tipo de enla-ce [19], sino que se emplean combinaciones para tener un control a mayor distancia. Una de las tec-nologías inalámbricas comunes para otro tipo de comunicación inalámbrica es la Wi-Fi [5]. Por ello, en este trabajo se combinaron la tecnología Wi-Fi con la ZigBee obteniéndose una comunicación aceptable debido al protocolo CSMA-CA adopta-do por ZigBee que evita la colisión de datos entre los diferentes enlaces con las tarjetas del sistema y a la baja tasa de transferencia de datos. Esto úl-timo está de acuerdo con lo expresado por otros autores [20]. No obstante, el protocolo CSMA-CA causa que la tasa de transferencia de datos no pueda ser elevada [12]. El sistema propuesto rea-liza el encendido/apagado de las luminarias sin presentar pérdidas de datos en la comunicación, aunque las tecnologías inalámbricas pueden ver-se afectada por interferencias [18].

V. Conclusión El desarrollo del sistema de control em-

pleando la tecnología ZigBee con Internet para el ahorro de energía eléctrica permite escalar fácilmente el control a diferentes áreas de un edificio no residencial. El ahorro logrado con el sistema propuesto es ligeramente mayor al 50%, debido a que la automatización se carac-teriza principalmente por la reducción de tiempo

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