' I . .

I' "S.E.P. D.G.1.T '1 1 I

11 I( CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO

cenidet SISTEMA PARA LA AUTOMATIZACION

DE LA ILUMINACION EN EDIFICIOS

T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE :

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA ELECTRONICA \

P R E S E N T A :

JOSE DE JESUS MORENO VAZQUEZ

- n i 0 DE INFO^^,^^ C E N I D E T 0

DIRECTOR DE TESIS:

M.I. HUGO CALLEJA GJUMLICH

'( 11 CUERNAVACA, MORELOS

1 11

'I I)

'I II

-

JUNIO 1996

SISTEMA NACIONAL DE INSTlTUTOS T E C N O ~ I ~ S I [ 1 S@P

C E N T R ~ NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO

!ACADEMIA DE LA MAESTFÚA EN INGENIER~A ELECTR~NICA

. . FORMA R9 ; j 11

ACÉPTAC16N DEL TRABAJO DE ?ESlS

i !t Cuemavaca, Mor. a 3 de Mayo de 1996.

Dr. Juan Manuel hcaiio Castillo Directo: del cenidet Presente' '1

At'n: Dr. Sergio Horta Mejia Jefe del Depto. de Electrónica

Después de haber revisado el trabajo de tesis titulado: "SISTEMA PAI¡k.'.LA AUTO&iATlZACI6N DE LA ILüMlNACIÓN EN EDIFICIOS", elaborado por el alumno: Jose de Jesus Moreno Vázquez, y dirigido por el M. 1.. Hugo Calleja Gjumlich, el trabajo presengo se, ACEPTA para proceder a su hpresion.

' A T E N T A M E N T E t, h ,

% ~ ~ d C U D l 4 ACAD[h1CA inienor internado Palmira SIN C P 62490 cien ¡de t/ Apartado Poslal5-164, lels (73) c P 18-7741 62050, y cuemavaca 12-76-13, Fax MOI 12-24-34 , M ~ X ~ W

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO I

. , , I4 Cuemavaca, Morelos a 20 de Mayo de 1996. 81 8 . .

'i m i

Ing. José,) de Jesús Moreno VILzquez Cmdidho al grado de Maestro en Ciencias en lngehiena Electrónica Presente

I '1

1 '

Después lde haber sometido a revisión su trabajo final de tesis titulado: "SISTEMA PARA LA AUTOMATIZACI6N DE LA ILUMINACIÓN EN EDIFICIOS", y habiendo cumplido con todas :las indicaciones que el jurado revisor de tesis le hizo, le comunico que se le concede auíoriF¿$ón para que proceda a.la impresión de la misma, como requisito para la obtención del grado.:

,I 'I .

, . '1 I,

ii Reciba &ordial saludo..' : , j . . , . .. .

. . i.. i~ . ', , .

. . . . . . . . , . I!

Jefe de Servicios Escolares Expediente

cenide t/ ~ ~ a i t a d ~ postal S-164, Jntenor CP internada 62050, Cuernavaui P a h a SIN Mar. C P Mexico 62490

Tels (73) 18-77-41 y 12-76-13,Fax 12-24-34 t 11

I

.!

I/ 11

I :I

I '8

t I¡

11 I! I A todo el personal 'adminis.rativo j ii que labora en el CENIDET.

I! 11 AI Centro Nacional de

Agra ezco 1

Cyntia Laura Manuel Victor Mario Rafael Adolfo

. .

y del(área de electrónica

lnves.igaciÓn .y Desarrollo Tecnológico

1 I1

'I I) Especialmente al M.I. Hugo C iieja Gjumlich por su acertada " dirección durante

AI M.C. Carlos F. Raúl A. Ortíz,

I 11

11 I)

, ,

I, MartínezT.

,I 11 AI Comite de revisión:

i !I

i II

I iJ

! Contenido I I/

1 11 Lista de figuras y tablas

Introducción

Pag. I V

vi¡

xi 1 11 Resumen

1 11 Capítulo 1 CONCEPTUALIZACIÓN DE LA RED DE CONTROL 1-1

,i 11

I. 1 Introducción I .2 Defini$¡ón de una red de control 1.3 Protocolos para la automatización de viviendas

1.3.1; Protocolo X-1 O 1.3.2 Protocolo Smart House 1.3.3 Protocolo CEBus I .3.4 Protocoio L O N W O ~ 1.3.5 Comparación y selección del protocolo de comunicación

l.$l, Topologias LAN 1.4 Medio!de comunicación hacia la red

I .5 Protocolo de comunicación y del sistema

1-1 1-2 1-2 1-3 1-5 1-7 1-9 1-10 1-12 1-13

.1-14

i 81 I

I !I Contenldo

' I1 I .6 Interfazlcon la línea de alimentación 1.7 Técniccf de modulación 1.8 Elementos que integran la red piloto

I¡ II Capítulo 2

1-16

1-18 1-17

SENSORES 2-1

' I I1

2.1 Introducción 2.2 TecnolÓgía de censores de ocupación

2.3 Sensores de luz natural

2.2.1 Tecnología infrarroja 2.2!2 ITecnología ultrasónica

1 I

11 I( Capítulo 3 DISEÑO DEL HARDWARE

2-1 2-3 2-4 2-4 2-5 2-6 2-1 1

3-1 11 lí

3.1 Introducción 3.2 Deshipción del sistema 3.3 intedaz con la línea de alimentación

3.4 Deshpción del módulo maestro 3.5 Des'cripción del módulo esclavo

3.3. Il'Funcionamiento del transceptor

3.5.1 Sensor de iluminación utilizando una fotocelda 3.5.2 Sensor de iluminación utilizando un fototransistor

.3.5.3 Sensor de ocupación de tecnología ultrasónica ! '1 3.5.3.1 Descripción del circuito del sensor ultrasónico

3.6 Mapa de memoria de los módulos de control maestro-esclavo 3.7 Fuentes de alimentación

capítu/o 4 DISENO DEL SOFTWARE

I1

' Y . 4.1 Introducción 4.2 Descrjpción funcional del módulo maestro 4.3 Descriipción funcional del módulo esclavo 4.4 Fur$$namiento del canal serie del microcontrolador

3-1 3-2 3-3 3-3 3 4 3-9 3-1 1 3-15 3-16 3-16 3-19 3-22

4-t

4-1 4-2 4-3 4-3,

. . contenido

. .

. . I(

i ;I

4 4 4-9 4-1 1 4-1 6 4-1 7 4-1 8

4.5 Esqlemas de transmisión y sincronía de los módulos de control

4.6 Etapa del control de iluminación

4.8 Periodo de tiempo cumplido (time-out) 4.9 Códjgo.detector de error

4.5.lIAdquisición de datos del convertidor AID

4.7 Respuesta dinámica de los umbrales de conmutación

1 3 -

Capítulo I I/ 5 PRUEBAS Y RESULTADOS 5-1

1 11

5.1 Pru'ebas realizadas al sistema 5-1 5-1 5-3

eléctrica 5-4

eléctrica 5-7 5-8

5.h .I Prueba 1: Sintonización de los módulos transceptores 5.1.2 Prueba 2: Verificación de la funcionalidaddel protocolo 54 .a Prueba 3: Respuesta al ruido impulsivo en la.línea de alimentación

d1.4 .Prueba 4: Respuesta al ruido armónico en la linea de alimentación

5!1.'+ Prueba 6: Secuencia de operación del encendido/apagad,o de las

't

I 1

5.!1.5 Prueba 5: Respuesta del sensor de ocupación

li lámparas 5-9 511 :7 Prueba 7: Verificación de la rutina de histéresis 5-9 1

Conciusiones xi¡ '! I(

Referencias t I1

xvi

Apendice A A-I 1 11

COMPONENTES UTILIZADOS EN LOS MODULOS DE CONTROL

Apendiie 8 B-1 P

UTILIZACIÓN DE LA LUZ DIRECTA Y DIFUSA PARA AHORRAR ENERGíA

Apendiie C

MODELO DE REFERENCIA DE INTERCONEX16N DE SISTEMAS ABIERTOS (OS)

/ u

c-1

I II

I 1' Lista de figuras y tablas 1 11

CaDítulo 7 I '1

1.1 Topología de redes (a) lineal, (b) estrella, (c) anillo, (d) bus 1.2 Diagbama a bloques general de la red de control Tablas I

1.1 Comberación de los protocolos de automatización de casas 1.2 Ventajas y desventajas de la red de alimentación eléctrica 1.3 Aspectos importantes para transmisión de datos en líneas de

1.4 Características de la red de control alimentación

capítulo 2

2.1 Relacibn de iluminación contra resistencia 2.2 Respu,esta espectral 2.3 Comparación del espectro visible con el espectro del material 'O" 2.4 Características de la pendiente 2.5 Rang( del espectro visible 2.6 Comparaciónde los espectros del fototransistor y las lámparas

Tabla 2.1 Características generales de los sensores fiuoiescentes

'I II

11 !I

,i il

I _

Pag.

1-14 1-19

1-11 1-17

1-17 1-19

2-7 2-7 2% 2-9 2-10

2-12 2-12

iv

'11 11 3.1 Diagrama del CCT con el soporte de componentes discretos 3.2 Diagrama a bloques de un sistema de portadora por líneas de

aiime(¡tación usando el C.I. LM1893 como interfaz a un sistema digital 3.3 Presdntación del LCD del módulo maestro 3.4 Prds4ntación del LCD en modo manual 3.5 Distribución de los interruptores instantáneos en la tarjeta del módulo

maestro 3.6 Diagrhma a bloques del módulo maestro 3.7 Diagt-?ma a detalle del módulo de control maestro 3.8 Sensor de iluminación basado en una fotocelda 3.9 Datos de dos días nublados '3.10 Datos obtenidos de cuatro días soleados

3-4

3-5 3-6 3-7

3-7 3-8 3-10 3-11 3-12 3-13

3.1 1 Caracteristicas de resistencias contra iluminación tipicas 3-15 3.12 Sensor de iluminación basado en un fototransistor 3-16 3.13 Sen& de ultrasonido 3.14 Diagrama a bloques del módulo esclavo 3.15 Diagtama a detalle del módulo de control esclavo 3.16 Fotografía del prototipo de control de iluminación.desarrollado 3.17 Prototipo de control de iluminación como producto terminado Tablas I '

3.1 Parametros de operación del CCT 3.2 Niveles de iluminación de los umbrales seleccionados 3.3 Mapa de memoria de los módulos de control

'I r .

'1

li 4.1 Formato para el envío de direcciones 4.2 Fordato de reconocimiento 4.3 Fohato del mensaje 4.4 F o l a t o de reconocimiento de mensaje sin error 4.5 Fohiato de reconocimiento de mensaje con error 4.6 Prbt$colo de comunicación de los módulos de control maestro-esclavo 4.7 Diagrama de flujo del módulo maestro 4.8 Diagrama de temporización del convertidor AID 4.9 Tiempo de lectura de los sensores 4.1 O Seyencia de lectura de los sensores 4.11 Códigos generados por los sensores 4.12 Diagrama de flujo del control de iluminación 4.13 Control de encendido e histéresis de la primera lámpara 4.14 Diagrama de flujo utilizado por el módulo esclavo

II

3-17 3-19 3-20 3-21 3-22

3-4 3-14 3-21

4-6 4-6 4-6 4-7 4-7 4-7 4-8 4-9 4-10 4-11 4-1 1 4-13 4-14 4-15

[ I V

I '1

4.15 Respuesta dinámica de los umbrales de comunicación Tabla 4.1 (Time-out" para cada comando con sus respectivos bits de

' sincronía 11

Caaitulo 5 ; I1

5 1 Conexión de los módulos maestro-esclavo y el probador programable

5.2 Forma en que se conectó el taladro para inyectar ruido impulsivo 5.3 Graficas de ruido impulsivo ocasionado por el funcionamiento de un

de datos

taiadrd

Apenhce B ' 1 1 1 .

8.1 lrradiancia de un día despejado de primavera 8.2 Irrahiancia de un día despejado de verano 8.3 lrrabiancia en un día parcialmente despejado de otoño 8.4 irradiancia de un día despejado de invierno 8.5 Cobcepto de horas pico para determinar el número de'horas efectivas

,I

Aoenkíke C i! !

C.1 Mob410 de referencia OS1

i I)

i II

4-1 6

4-1 a

5-3 5-5

5 0

8-3 8-3 8 4 8-4 BO

c-2

i II

'I II Introducción

Lh ~ automatización de edificios es una tecnología que empezó a dar sus primeros pasos en la década de los 70é, propiciada tanto por la crisis del petróleo que sacudió .con dureza la economía mundial, como por un aumento de la concientización respecto a la necesidad de ahorrar energía y, en consecuencia, de una planificación más ajustada y óptima de los recursos a emplear en las grandes edificayonec; no es, sin embargo hasta los años 80's cuando. se empieza ha utilizar el términ( de edificios inteligentes para diferenciar a estas obras de los inmuebles construidos hasta ese momento.

día a día, podemos observar como las grandes ciudades de nuestro país van cambiandb su perfil tradicional por otro, en el que unas contadas edificaciones

I il , .

I I¡

'I II Introduccl6n

' . I1

resaltan :;specto a las demás en un alarde conjunto de arquitectura e ingeniería, en 10 que sea dado por llamar edificios inteligentes.

Un inmueble de estas características es aquel que permite, en primer lugar, la dete&d de una serie de variables a través de un Sistema automático.

En! segundo lugar, debe poseer un sistema de transmisión de datos; una red de comuni&ción capaz de transmitir lo detectado a los centros de control, los que generarán una reacción que seguirá el camino inverso hasta llegar al punto en el que se p#o$ujo la detección, actuando sobre la causa de forma automática [ A ] [2].

La finalidad principal de construir edificios inteligentes es el de proporcionar un impodante ahorro de energia.

ES muy común que en un edificio, ,con un número determinado de oficinas el personal ppr olvido deje la luz encendida, lo cual implica un mayor consumo de energía, .lo'que le producirá a la empresa un gasto económico.

esperado debido a los factores económicos que involucra su desarrollo, pero se estima que en un futuro no muy lejano esto será factible. En cambio, ha sido mas fácil de. implementar esto a un nivel de edificios comerciales, que es donde verdaderamente se tienen grandes consumos de energia, los cuales se pueden reducir mediante la aplicación de estos sistemas de control automatizados. Uno de los puntos más importantes a controlar en los grandes edificios es la iluminación; este fadtor no podrá ser eliminado pero si-controlado de la manera más óptima posible con lo cual se podrá tener un gran ahorro.

La 1 tendencia hacia la automatización de edificios se ha ido incrementando de manera acelerada, y esto se debe a' los avances tecnológicos de la década de los noventas, ya no es comparable con la tecnología del pasado. La electrónica y los sistem'as de transmisión modifican o influyen en la implantación, aplicación y operación' de las diferentes instalaciones eléctricas y demás redes de servicio del edificio.'t

fa utilización de la microelectrónica y la transmisión de datos con ayuda de las trayectorias de comunicación "buses" favorecen la creciente automatización de los ciclos operativos en los edificios; dicha automatización se ocupa de las funciones'l de supervisión, control, regulación y optimización de todas las instalaciones de un edificio.

va :[tendencia de esta automatización es que las funciones se desarrollen. en forma autónoma según los parámetros prefijados por el diseñador, otro fin fundamental es obtener una explotación rentable. Se ha obtenido ahorro a través de la racionalización del uso mediante sistemas de control horario sencillos, tipo temporizador o integrado al control sofisticado de otros sistemas eléctricos, la desventajh de esos sistemas reside en que el personal debe apegarse al horario en que eliisistema mantendrá encendidas las luces, además de que no se podrá

. .

;i 1

Akdalmente la automatización a nivel doméstico no ha .tenido el auge '

I

I ' b . .

1 I/ .

I !

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trabajar hiyps extras a menos que se active nuevamente el sistema, sin tomar en cuenta 10s momentos en 10s cuales el personal sale del recinto de trabajo.

Por otro lado, el uso de la luz natural mediante las instalaciones de domos, plafones : d n rendijas, entre otros, podrían representar ahorros importantes; sin embargo,!! no es una solución que haya sido.aceptada por los empresarios debido a las impiihiiones arquitectónicas.

Ahora bien, el consumo de. energía eléctrica en un edificio comercial o~ de oficinas es! muy variable, porque depende 'de numerosos factores como son: la localización geográfica; la estructura, configuración y materiales de construcción; la orientaci&! características particulares del medio ambiente en el cual opera el equipo instalado; los hábitos de uso, y el mantenimiento.

Con base !a estudios que ya se 'han realizado y a la experiencia'a partir de la realización. de diagnósticos energéticos por ejemplo, en edificios de diversos tipos .en la zor?almetropolitana de la ciudad'de México, se han encontrado los.siguientes porcentajes promedios:. iluminación 50%, aire acondicionado 30%, contactos 12% y motores%% [3]. En general, un sistema de iluminación está formado por cuatro: elementbs,,básicos, que son: lámpara, balastro, luminaria y control; en este trabajo de tesis,"se abordo la parte de control.

Sin embargo todas las alternativas caen dentro de dos grandes categorias: una a tradks del "hardware", y otra mediante el "software" conviene aclarar que el "hardwaie" lo constituyen los equipos en sí, mientras que el "software" se refiere a la filosofía'bd operación de dichos equipos.

El objet!ivo de este trabajo de tesis' es el de implementar una red piloto demostrativa para el ahorro de energía, mediante el control de la iluminación en edificios. I

La idea de desarrollar un trabajo de este tipo surgió como consecuencia de las sigui,entes consideraciones:

c Porque es muy común que en un edificio con un número determinado de oficinas

En u! ,;futuro en MBxico se dará a conocer .normas 'que plantean el uso de

Porquei un porcentaje importante de' la electricidad se' produce a partir de

UtilizarfJn medio de comunicacibn que no ocasione gastos severos de instalacibn

, .

'! 1

: :

I t

el pei'sdnal tal vez por descuido deje encendida la luz.

sensores de iluminación y ocupación.

combustibles fósiles, que aparte de no ser renovable, contamina.

como son las líneas de alimentación'eléctrica.

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'I 1)

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i! ,) lntroduccldn

. . ! II

CONTENIDO I i) DEL TRABAJO

En' el capitulo 7 se presenta los conceptos principales, protocolos para la automatifa%ión ' de casas, medios de distribución, acceso al medio, topología, técnicas ae'modulación y características de las líneas de alimentación eléctrica.

En, el capífu/o 2 se presenta los conceptos de sensores de ' luz natural, sensores; de ocupación así corno el principio de funcionamiento de' ellos, y los criterios delselección de cada uno de ellos.

E$ el Capifdo 3 se presenta la descripcibn funcional de. las partes que forman los !módulos de control Maestro-Esclavo, así como las 'caracteristicas de los dispositivos empleados en el desarrollo de las tarjetas.

En el capffu/o 4 se presenta la forma en que se lleva a cabo la comuni+c/ón de los dos módulos mediante el empleo del protocolo de comuniyción asi como el formato de cada paquete de información transferido entre los dos modulos. También se presenta como se lleva a cabo el encendido/apagado de las lámparas.

En el capffu/o 5 se presenta las pruebas 'y resultados obtenidos en este trabajo de iesis.

'I 11

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1 I/

Con este trabajo se:desea disminuir el consumo energético, mediante la automatijación de la iluminación en los edificios, implementando para ello una red piloto, utilizando como medio de comunicación las líneas de suministro eléctrico (127 VCq) del edificio, ya que son un medio de comunicación de amplia cobertura, no ocasionan modificaciones a las instalaciones ya establecidas y facilitan el acceso a través de una interfaz mecánica en forma de clavija.

El protocolo de comunicación empleado en la red de control, 'se aproxima al CEBuSi Fpra llevar a cabo el acceso al medio de comunicacion, se cuenta con el protocolo de comunicación Maestro-Esclavo aplicado a una red de área local (LAN='ILocal Area Network), utilizando una topología de canal (Bus), con la técnica de modulación por corrimiento en la frecuencia (FSK : Frequency-Shift Keying).

Además para realizar las funciones de control y regulación de la iluminación, se utilizan censores de luz natural y sensores de ocupación, para encender y apagar 14s lámparas en forma secuencial. según sea la cantidad de luz que se necesite en el área controlada, con el fin de mantener la iluminación del recinto lo más wn4tante posible.

. I 1

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Capítulo 1

I ! I1 CONCEPTUALIZACI~N DE LA RED DE CONTROL 1 11

! I) I,

I!

1.1 INTRbDUCCIÓN I1

! f l L a caus'a principal de la necesidad de una red para el control de iluminación

en un edificio, esta originada por los grandes consumos de energía que se tienen en ellos, y !eto se debe al descuido del personal que labora en los edificios, por lo tanto esta red tiene como finalidad ahorrar energía,. mediante el control de la iluminación, y proporcionar confort a los usuarios ya que no tendrán que preocuparse por el encendido o apagado de las lámparas debido a que el sistema de control1 lo realizará automáticamente.

I 1

r iJ . .

I. . . Capnulo I - Concei>iualizaclón de /a red de control

I t 11 , .

I! . . 1.2 DEFINICI~N DE UNA RED DE CONTROL.

Una red de control es aquella que utiliza los avances tecnolbgicos posibles para las instalaciones y, además, ofrece a los usuarios una serie de facilidades; por otro lado permite la interconexión de una diversa variedad de equipos de comunidcibn de datos dentro de una determinada área. La red de distribución tiene como finalidad proporcionar la trayectoria o los medios para . . que fluya 'la infonacibn entre los diversos nodos de la red [4].

Un eldificio inteligente, es aquel que permite, en primer lugar, la detección de una serie de variables a través de un sistema de control automático. En segundo lugar, debe poseer un sistema de transmisión, una red de comunicaciones, capaz de transmitir lo detectado a. un módulo maestro que se encargará de realizar las correccionas necesarias; las cuales serán enviadas a los módulos esclavos, que actuaránlsobre las causas que originaron la corrección, de forma automática [2].

Ellobjetivo de un sistema de transmisi6n de datos es la distribución de la informacióri sin errores.

La necesidad de enviar datos a través de cables de gran longitud y en ambientes! en los que frecuentemente se encuentran ' fuentes de ruido y' de interferehcias, ha obligado al desarrollo de circuitos integrados (C.I.) especializados en la tarearde transmisión de datos.

1.3 PROTOCOLOS PARA LA AUTOMATIZACI~N DE VIVIENDAS . .I :

Hoy en día, existen tres nuevos protocolos 'para los buses (canales de comuni&&n) en la automatización de casas, que están tratando de dominar el mercado, el cual se encuentra actualmente dominado por el protocolo X-1 O que se desarrol1o';hace dos décadas. Existen cuatro contendientes entre los protocolos para la automatización de casas y son los siguientes [5]:

'I I¡ . Corporación Echelon LONworks

0 La Asociación de Industrias Electrónicas CEBus (EIA IS-60) Smart House la cual es una asociación limitada creada por la Asociación Naciqnal de Constructores de casas X-10 (USA) Corporación de protocolo X-10

~

I1

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11

11 11 De 'los cuatro protocolos, X-10 es con mucho el mas simple y el mas antiguo.

LONwork es solo uno de estos estándares que ha encontrado un amplio uso

Este aparftció en 1978, y tiene mucha experiencia en el campo

fuera del $ampo de aplicación de la automatización de casas.

11 !I

' t !I

1-2

11 I1

Capitulo 1 - Conce~tualizaclbn de la fed de control I !I , '

En compiten estánda( Control v

11 . . . edificios grandes especialmente en los comerciales, varios protocolos , incluyendo multitud de estándares de buses de campo (Fieldbus). Un especialmente diseñado para la automatización de edificios es la Red de Automatización de Edificios (BACNet). La organización detrás de BACNet

es la Soc;edad Americana de Calefacción Refrigeración e Ingenieros de Aire Acondicionado (ASHRAE). Excepto que BACNet no utiliza las líneas de alimentación eléctrica como medio de comunicación. ¡I . .jJi

Existen varios protocolos [SI de los cuales, solo los anteriormente menciorrados son empleados para la automatización de casas y de estos solo tres emplea? las lineas de alimentación eléctrica para la transferencia de informaci6n.

La industria ha desarrollado una~variedad de tecnicas de comunicación que no requieien de un alambrado especial; enviando los datos a través de las líneas de alimentAción eléctrica C.A.

El sistema mas fácil de comunicación a través de las líneas eléctricas .(X-IO por ejemplo) usa la t6cnica de banda angosta. Recientemente los sistemas 'han usado mopuiación de espectro .disperso Chirp (o modulación de.frecuencia lineal), o s6cuencias directas.

ca \tecnología de espectro disperso (spread-spectrum), es el corazón de CEBus para la capacidad de~cornunicación en las lineas de alimentación eléctricas junto co,n un nuevo avance de diseño de banda angosta, además de ser una buena opción antes de elegir LONwork.

El espectro disperso es un modo de transmisión, en.donde la señal ocupa un ancho de banda superior al mínimo necesario' para enviar la inforinación; la dispersión de la banda se realiza por medio de un código, el cual es independiente del dato; '/la recepción de la señal debe estar sincronizada con el código que se genera lokalmente en el receptor, el cual es usado para comprimir los subsecuentes

, .

11..

. .

.I

: datos recibidos [7]. . .

Otras mefodologias que no utilizan alambrado especial son RF (Radio Frecuencia) y la IR (InfiaRojo).

EnJlas siguientes secciones: se dará. una breve descripción de cada uno de los proi'ocolos anteriormente mencionados.

1.3.1 7,ROTOCOLO X-10

Ei protocolo X-IO es el menos costoso y por otra parte es el que presenta mayor sehcillez. En la mayoría de las instalaciones de X-10 se superpone una señal de 120. ljhz. de AM en las líneas de alimentación eléctrica; mientras que otros sistemas .para automatización de casas (Smart House) requieren de instalaciones especiales, a menudo no necesita realizar esto .para instalar un sistema basado en la comutpación a traves . de las líneas de potencia; desafortunadamente la

T

1-3

Caoitulo I - Conceptuallzaclón de la red de control

confiabilid&-J del simple protocolo de X-10 varía significativamente entre 'las instalaciones.

En realidad las líneas de alimentación eléctrica Son probablemente el t'nedio de comuni&ión más pobre; el encendido y apagado de cargas, inyectan ruido de alta frecuencia en las lineas de C.A., degradando así la relación señal-ruido. Para mejorar lawnfiabilidad, X-10 a sufrido muchas modificaciones a través de los años pero han :;&servado este esquema de modulación simple, y generalmente han seguido .hi la compatibilidad de los equipos recientes con los mas viejos. El protocolo X!lO solamente contempla a las líneas de suministro eléctrico, enviando. un bit con,iyda ciclo de la líneas de C.A. , .

El mensaje es enviado a la sección del transmisor, donde se generan seriales de 120 Kvzlque son usadas.para modular la linea de c.B., con modulación de ancho de pulso.

Para sincronizar la salida serial codificada digitalmente con la línea de c.a. de 60 Hz, el transmisor incluye .un detector de cruce por. cero; el mensaje es temporizado a un bit en un tiempo de cruce por cero [E] .

La transmisión de datos bajo el protocolo X-10 no es rápida; el preámbulo del, mensaje del protocolo X-10 esta estructurado de la siguiente manera: un paquete de 4 bits dentrb de 2 ciclos de la línea de alimentación, y la transmisión procede a 1 bit por ciclo gel la línea de potencia.

Un mensaje consta de 13 bits: el preámbulo de los 4 bits; 4 bits de código de casa ( con 10s cuales el usuario selecciona, para evitar la interferencia con sistemas cercanos'\ en la casa); 4 bits como código unidad-función y un bit que indica si el código unidadifunción representa un número de unidad o una función, ejemplos de funciones ison encendidos, apagados y el control de intensidad luminosa (dimmer)[5]. El mensaje completo toma 11 ciclos de la línea de c.a. completos para realizar la transferencia.

Estelarreglo acepta hasta 16 módulos. en donde cada uno de los cuales puede responder hasta.con 16 comandos; 'usando códigos de casa múltiples el sistema puede incluir mas de 16 módulos.

Para mejorar la confiabilidad, un paquete contiene 2 mensajes idénticos, los cuales son unidos sin un claro (gap). Un comando consiste de dos paquetes con un

En el primer paquete, el código de unidad-función indica cual unidad esta siendo bireccionada; en el segundo paquete, el código de unidad-función representamla función; un comando requiere por lo menos de '47 ciclos y toma casi 0.8 seg. a 60Hz.

Cada bit es transmitido a una velocidad aproximada de 2 mseg de una amplitud,;de conmutación, la portadora de 120khz tiene una amplitud en el estado encendidolde 6 Vp-p en Estados Unidos y de 2.8 V en Europa, donde las regulacidnes de compatibilidad electromagnética son mas ectrictas[5i].

' I1

claro (gap) 1 ,de por lo menos 3 ciclos de línea.

t 11

1-4

. .

1 1)

'I

Canitulo 1 - ' Concentt~alizaclbn de la red de control

. . 'I I) . ' L~ amplitud actual depende fuertemente de la impedancia de las líneas de

a 120 mz aunque algunos módulos utilizan retroalimentación Para estabilizar ¡a amplitud.

El;(inicio de cada portadora de 120 m z coincide con el cruce por cero de la líneas de p!&ncia, así el envío se repite 2 veces por ciclo. en Sistemas de una fase y arriba de':6 veces por ciclo en sistemas de,tres fases.

1.3.2 PROTOCOLO SMART HOUSE '1 li , .

. . I¡ lil I! ¡I !I

Un sistema Smart House comprende 5 subsistemas:

Controllwmunicaciones

I II Tele&municaciones

I! Energía eléctrica

I . . 11 I(

.. ,

Red coaxial

Energía por gas

1 'I

Lbdsubsistemas de energía de gas son opcionales; la red de cable coaxial es la que se' encarga de distribuir el vídeo, audio y datos de alta velocidad; la red coaxial 'es un sistema de distribución de RF de banda ancha la cual esta en interfaz con el +he de transmisión de la televisión..

Inibloque de construcción básica de diseño de el sistema consta de tres cables multiconductor instalados durante la' qnstruccion original de la casa, en lugar del alambrado convencional. ' . '

El .subsistema controllcomunicaciones es responsable de la coordinación, operación y desarrollo de la funciones de la.casa; y sus funciones primarias son: el control 'be energía entregada a los contactos, y equipó electrÓnico/electrodoméstico;

. ' para proveer' trayectorias para los componentes del sistema y los equipos electrónico/electrodoméstico, y para intercambiar mensajes y peticiones funcionales. Los datos y mensajes son . intercambiados entre los equipos electrónicoleiectrodoméstico y el controlador del sistema, o entre dos o mas equipos electróni(o/electrodoméstico. usando un lenguaje "Core" y un lenguaje de aplicación orientado a objetos[9].

11 / j El subsistema control/comunicación consiste de tres componentes primarios y

tres canales de comunicación. ;I I!

11 I) :

I

. . . ~[ I)

Los tres componentes son: .;I Controlador del sistema

I Circuito integrado dé rama doble

0; Circuito integrado para equipo electrónicoielectrodoméstico

I . '

11

. . Los tres canales de comunicación son: 1) I1

Canal de rama

Canal del equipo electrónicoielectrodoméstico

O Canal serial ti 9

El 1) corazón del sistema Smart House es el subsistema de control/&municación, el cual transmite señales a velocidades de 50 Kbps. .Este subsisterha incluye el control del sistema; suministro de 12 Vcd, el cableado que distribuye las setiales por todas las partes de las casa, contactos, sensores e interrupt+.

Dentro de el subsistema de controlicomunicación (desde el punto. de vista lógico)' &tan los c.i's (circuitos integrados) ' ramalesclavo que dan formato a los mensajes, convierten el protocolo serial, implementan la dirección de nodos y proveen una interface para control de potencia.

Físicamente los c.i's se encuentran en los dispositivos con los cuales esta en interfaz ,!como contactos de 120 Vca, lámparas reguladoras de intensidad luminosa, instala$i$n de lámparas y puntos de conexión permanente alambrados a aparatos electricos-electronicos.

Ell controlador del sistema es un módulo electrónico que esta encerrado completamente. Este puede dirigir.la comunicación y el control de potencia de 30 ramas!ide red, donde cada una de las cuales puede tener hasta 30. nodos o contactos de accesorios; por lo tanto el controlador del sistema puede direccionar hasta 7 0 nodos. Cada nodo representa un ' contacto o equipo electronicoielectrodoméstico sujeto al subsistema de controlicomunicación.

'hqernás el controlador del sistema implementa todos los protocolos, ejecuta la secuencia eventoiacción programados, desarrolla sistemas de base de datos, y coordinalotras funciones: . .

Cabe mencionar que el sistema Smart House no involucra a las lineas de aiimedtakión eléctrica, RF o la comunicación IR.

''€1 subsistema de energía eléctrica, el cual distribuye los 120 Vca por toda la casa, liiene incorporado protecciones contra sobrevoltaje e; interruptores de fallas

:I II

!i II

I1

I ,

1-6 'I /i

I 11 Capitulo .I - ConceDtualízación de la red de control

I I/

ruteadoi, L~~ "Brouters" son similares a 10s ruteadores, en que interconectan dos medios be; comunicación en la capa de red; sin embargo, Un nombre diferente es elegido tiporque 10s "Brouters" son específicos para una conexión entre infrarrojo 0 Radio Frecuencia y el medio de comunicación alambrado [ lo]

EI protocolo para 10s nodos de Coaxial, par trenzado, lineas de Potencia, Audio-Vid/o es común por encima de la capa fisica.

CEBUS ofrece una amplia elección de transmisión de señales de baja ve1ocidadi)asi como medios de transmisión como Portadora por Líneas de Potencia (PLC = Power Line Carrier), par trenzado, RF e IR.

'I u Los datos de mas alta velocidad, pueden viajar en,par trenzado, coaxial, o cable de fibra Óptica, aunque la porción del estándar de fibra Óptica todavía no está compietaJ

También, cabe mencionar que la norma para la comunicación a través de la líneas eléctricas no esta terminada [l I].

La tecnologia PLC usa una técnica de señalización "Chirp" ( modulación de I . / . frecuencia lineal) de espectro disperso el cual lntellon patento. Los C.I. cubren un

rango de '1 O0 a 450 Khz.

Mientras que algunos sistemas de espectro disperso hacen virtualmente imposi@le interceptar mensajes extraños, los receptores en tales sistemas tardan muchok (nilisegundos en sincronizar la señal. La prioridad de Intellon's, es que no es un Sistema que pueda proveer alta seguridad, pero si uno que pueda transmitir rápidamente muchos mensajes; así el sistema PLC de CEBus usa un acceso múltiple Mn detector de portadora y con detección de colisión para controlar los nodos 'he acceso al medio de las líneas de alimentación eléctrica.

&BUS es más que una tecnologia de comunicación por líneas de alimenta6ión; las 7 capas de referencia del modelo IS0 definen completamente el protocolo. Una descripción de un marco del CEBus o paquete da una idea del esmero 9 flexibilidad de el estándar. Un marco esta formado por 8 secciones y son: un preámbulo' (PRE), un byte de control, una dirección de destinó, un código de casa deJtino, arriba de 32 bytes de información y un marco de verificación de secuencia (FCS). Las direcciones y códigos de casa pueden ser de hasta de 16 bits. E¡ reconocimiento de marcos incluye el PRE, control, información. y secciones de FCS.'Un marco de reconocimiento usualmente no contiene información y a io mucho, contiene solo 2 bytes.

./

1 11

f

1 11

'I

I ! CaoHulo 1 . Conce~tuallzacl6n de la red de control

I I)

1.3.4 ROTOC COLO LONWORKS (Local Opemtiw Ne*o*)

LO!O/work es uno mas de los vendedores de prOtOcolOS para automatización de casas, que aspira a aplicaciones fuera del camp0 de la automatización doméstica; LONwork ya tiene realizados considerables éxitos en la autom&ación de la industria. Cabe hacer mención que LONwork lleva a cabo la transferencia de información a través del protocolo LONTalk.

El, protocolo LONTalk se diseñó para soportar las necesidades de las aplicaciones industriales.

El protocolo LONTalk sigue la referencia del modelo OS1 (Interconexión de Sistemas Abiertos): desarrollado por IS0 (Organización Internacional de Estándares), provee servicio a las siete capas del modelo OSI.

.Cada nodo de LONTalk es conectado físicamente a un canal. Un canal es un medio'ide transporte fisico para los paquetes. Una red de LONwork se compone de uno o mds canales. La forma física de un canal depende del medio de comunicación elegido; por ejemplo, un canal de par trenzado es un alambre de par trenzado, un canal dekadio frecuencia es una radio frecuencia específica etc.

'kds canales múltiples son conectados por puentes y ruteadores, los cuales consisten de dos circuitos integrados "Neuron'" conectados entre si; cada uno de los integrados "Neuron" es conectado a un canal diferente a través del transceptor apropiado, el transceptor provee la interfaz entre un canal y el circuito integrado "Neuron'¡.

:jEl protocolo LONTalk define una forma jerárquica de direccionamiento usando :idominios, subredes, y direcciones de nodos; esta forma de direccionar puede,; ser usada para direccionar dominios enteros, una subred individual o un nodo individual.

'!Uh dominio puede soportar hasta 255 subredes, y cada subred puede estar formada,ipor un máximo de 127 nodos, por lo tanto se pueden tener 32,385 nodos en un Simple dominio, el número con el cual se identifica cada nodo es de 7 bits, un dominio es configurado con 0,1,3 o 6 bytes; un nodo tiene una dirección de subred, y una'ldll dominio al cual pertenece éste. Por lo tanto para direccionar un nodo se necesita el identificador del 'dominio (0,1,3, o 6 byte de longitud), una clave de autent//ción (de 48 bits), la dirección del nodo (de 7 bits) y la dirección de la cubre$ (de 8 bit), y se repetirá todo esto si el nodo pertenece a dos dominios [12].

'IEl preámbulo consta de un campo de bits de cincronia y un campo de byte de sincronía.

1

' '1

' I II

II

*Et. circuito integredo Neuron o8 un dispodtivo sofisticado VLSl lMuy alte eeoale de intagreoidnl que hace posible le implema"ta~i6n da una red de opsrsci6n local. Y con una combinscidn de hardware y firmware puede proveer todas les funciones necesarias para procesar entradas da sensores, y control de dispositivos inteligentes. y propegar Ia informaciói ds control a traves de une variedad da redes del msdio de comunicaci6n 1131

1 '1

, I II Capitulo I - Conceptualización de la red de control 8 1

de bits de sincronía consiste de una serie de "unos" en codificación Manchester y la duración puede ser seleccionada por el usuario Y es de al r m ~ S de 6 bit ;/de longitud. EI campo de byte de sincronía consiste de un cero en codificacibn Manchester, que marca el fin del preámbulo y el comienzo de el primer byte d&jpaquete; después se envían los datos Y el CRC (Verificación de Redundancia Cíclica) de 16 bit. Seguido de est0 se envia un código de Violación en donde $4 verifica si en la transmisión se incurrió en algún código inválido; y al terminar 'de enviarse el último bit del CRC sigue un tiempo de inactividad y finalmente un código de prioridad aleatoria.

Como CEBus, LONwork es un sistema par a par y de este modo no requiere un contrqlador de sistema; LONwork ofrece una amplia variación de velocidades de datos medios de comunicación; las velocidades de los datos es de cientos de bits por segundo a 1.25 Mbps. Los medios de comunicación que tiene contemplado LONwork incluyen par trenzado, RF de 49 a 450 Mhz, uniones vía IR, las líneas de alimeniación , electrica,cable coaxial y fibra óptica.

Ellcorazón de cada unidad de hardware de LONwork-compatible es un C.I. Echelon 'Neuron, el que implementa los protocolos de LONwork de las capas mas bajas. ii I(

Aunque CEBus y LONwork comparten la misma organización par a par, representan filosofías diferentes en el diserio de protocolos.

A Icontinuación se presenta en la tabla 1.1 una comparación entre los protocblos aquí mencionados.

1.3.5 COMPARACIÓN Y SELECCIÓN DEL PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN

I

' 'I I)

L I /

De los protocolos anteriormente mencionados, el protocolo de comunicación que .se yesarrolló en este trabajo de tesis se apega mas con el protocolo CEBus, esto se debe a que el esquema de transmisión empleado es semejante en cuanto a la forma de enviar los datos. El protocolo empleado difiere del protocolo CEBus, en que no ,cuenta con el comando de control que emplea CEBus para indicar la longitud, y prioridad de acceso al canal de comunicación de los datos de cada marco! ga que CEBus acepta longitudes de datos variables, y para nuestro caso la longitud 'de datos es fija. Además, como solo se cuenta con un'maestro, tampoco se emplean'; los códigos de dirección fuente y código de casa fuente que son empleados para indicar a los esclavos que maestro lo esta direccionando en caso de habe,r mas de un maestro. En cuanto a la secuencia de verificación del marco (CRC), se empleo un polinomio de 16 bit para dar mas robustez al mensaje, al igual que en el protocolo CEBUS.

1 Cabe mencionar que el protocolo desarrollado se realizó pensando en dar mayor; robustez a la comunicación de la red de control que se desarrolló y no tratar de trabajar bajo el protocolo CEBus; pero agregando los códigos que hacen falta y que se mencionaron en los párrafos anteriores, se podría trabajar bajo el protocolo CEBUS. 11 D

I 'I

I II Capitulo f - Conceptualizacidn de la red de control I

~~

' i Medio de'il comuni~aci6n soportado

'I 1

,: .!i . .

Velocidad de datos pare el control y comun/ca+ci6n

Soporte para datos de altavelocidad

' I I)

i I1

1 1 I)

i I.

líneas de potencia, par trenzado, cable coaxial, RF, IR; fibra óptica (eventualmente)

1 O Kbps

Distribución de canales eléctricos y especificaciones para medio de comunicación de video, audio y distribución de datos: estandarización de recursos y distribucidn de protocolos

nodos 'I I I I

Facilidad :de uso: Desarroll/

I

,'I I) Facilidad'de uso: producción

'I I1

Curva de aprendizaje Desarrollo de Hay herramientas de amplia para nuevos herramientas de fácil desarrollo disponibles protocolos; El desarrollo uso; no es necesario de herramientas reduce aprender detalles de el tiempo de aprendizaje protocolos de redes

Máxima flexibilidad del Dos circuitos integrados Dos circuitos hardware; pP comercial personalizados de dos integrados de 8 bits o mas fabricantes. personalizados de

Smart House

líneas de potencia, par trenzado, RF; transceptores en tres partes que soportan medio de comunicación adicional

610 bps a 1.25 Mbps

Facilidadlde uso: lnstalaci6n

il

i ij

I 11

No tiene especificaciones para canales de audio y video

Conexiones Varios: Los fabricantes. prealambradas o en lugares de asociación veces pueden de algoritmos preinstalarlos; los

de equipos algunas

usuarios pueden instalarlo; puede ser requerida instalación profesional

Realización de alambrado personalizado disponible desde tres fuentes

iarjetas de ipiicaCi6k

!I Y

50 Kbps

- ~ ~~

en casas nuevas y en casas nuevas y Residencial (casas existentes existentes, edificios nuevas, ante todo),

industriales y iluminación de comerciales, algunos edificios automatizaci6n industrial comerciales

Sistemas de distribución coaxial

herramienta de direccionamiento requerida para inicializar algunos componentes; base de datos pueden ser establecidas en un luaar o remotamente

I ,I Cadtulo I - Conce~tualizacidn de la red de control

!I I!

Por otro lado no es necesario emplear un C.1 especial para que implemente el protocololde comunicación como lo es en el caso de LONwork y Smart House, ya que todo el protocolo en CEBus puede llevarse a cabo por software.

Existen otros protocolos para la comunicación de datos, pero no tienen contempladas a las líneas de alimentación eléctrica corno medio de comunicación [6] y no' son para la automatización de casas; solo tres de los protocolos mencionados aquí utilizan este medio, y se emplean para la automatización de casas.

1.4 MEDIO DE COMUNICACIÓN A LA RED

I I(

'i 1

'! 1 El:termino "medio de comunicación" se usa para describir la ruta física entre

los dispositivos de transmisión y recepción en una red de comunicaciones [14]:

A Continuación se presentan varios tipos de redes de distribución[4][14]:

-4

1 'I

'!Cables

1- Infrarrojo

'e Ultrasonido

I* 11 6ptica

1. I) Luz

Radiofrecuencia

Corriente portadora

Múltiplex por cable

Combinación

'1 Y La red de distribución utilizada en este trabajo de tesis es la de portadora por línea de alimentación (PLC). Ésta es una manera de realizar la transferencia de informat$Ón, que consiste en el uso de las líneas de alimentación eléctrica del edificio como trayectorias para el flujo de información entre terminales. La terminal o dispositibo de origenldestino de que se trate se conecta en una toma de corriente para !;sue le suministre energía eléctrica, Entonces, mediante un dispositivo adecuado de acoplamiento que puede construirse como parte de la terminal, está imprime sus setiales en el mismo alambre por el que recibe su energía eléctrica de alimentakión. AI otro extremo del alambre, se encuentra el desacoplador adecuado que toma las setiales y las presenta en forma apropiada al circuito procesador.

I 11 Como una red local es una red de comunicaciones que permite la interconexión de una variedad de equipos de comunicación de datos, dentro de una red de ')área relativamente pequeña [15]; podemos decir que las líneas de alimedtación eléctrica caen dentro de esta clasificación.

1 1

I 11 CaDliulo I - Conce~tuallzacldn de la red de control

t 1:

Las redes locales se caracterizan por: 'I

1 .I1 La topología

, El método de acceso , E.1 medio de comunicación

Los'/medios de comunicaci6n mas convenientes para las redes de área local (LAN = Lob1 Area Network), incluyen el par trenzado y el cable coaxial así como las conexione? de fibra óptica facilitando la comunicación de las ondas de luz.

En este trabajo de tesis el concepto de LAN es aplicado a las lineas de suministro eléctrico, Las ondas de radio son empleadas para las redes de área extendida!(WAN = Wide Area Network), especialmente para redes de satélites, y no son convenientes para redes locales, Las conexiones de infrarrojo y ultrasonido son usadas !para conexiones punto a punto y en general no son implementadas en los medios'Jde comunicación LAN [14][15][16].

Lb 'manera en la cual los nodos de la red son conectados usando los medios de comunicación se le denomina "topología de red". Las topología empleadas en las LAN son las interconexiones del tipo: lineal, estrella, anillo y bus.

ca,topología estrella es conveniente para centralizar la LAN pero no para descentra'lizarla. Las topologias lineal y anillo requiere de largos protocolos con cabeceras muy grandes para la transmisión y separación del mensaje. Además las topología"estrella, lineal y anillo son susceptibles a fallas en los nodos. La topologia

1.4.1 TOPOLOGíAS LAN

Las topologías son el patrón formado por la estructura del cableado de las LAN's. ;/Algunas de las topologías mas populares son ilustradas en la figura 1.1[14][16].

Casi todas las topologias son conexiones punto a punto, y en la mayoría de los casosllos mensajes tienen que pasar a través de varios nodos, hasta llegar a su destino.

Por ejemplo, en la topología lineal, si se envía un mensaje del nodo A al nodo E, tiene que pasar por B, C y D; si uno de estos tiene un mal funcionamiento el mensaje nunca llegara a su destino. En la topología estrella uno de los nodos juega un papel !muy importante (nodo A), ya que todos los mensajes deben pasar por el; en caso de fallar este nodo la red quedara fuera de servicio.

''La topología en anillo tiene una propiedad interesante, esta puede ser implementada usando únicamente una conexión direccional como se muestra en la figura Il.'$c . Puesto que los nodos son conectados en una forma de lazo unidirecional ( one-way-loop fashion), algún par de fuentedestino puede existir. Por ejemplo si se desea enviar un mensaje desde A a B tiene que pasar por E, D y C; y

t

I

Bus es la 'I .mas popular en las aplicaciones de las LAN's.

1 I/

I Y I,

' .,

I ! 1-13

11 'I Capitulo f - Concemallzacl6n de la red de control

11 11

nuevamente se tiene el problema de que si alguno de los nodos falla la operación de la redise interrumpe. Si se emplean conexiones bidireccionales en la topologia anillo, entonces una falla de uno de los nodos de red convertiría la topologia anillo a una line1 [14].

'I

I il (c) (d)

t Figura 1.1 Topología de redes (a) lineal, (b) estrella, (c) anillo, (d) bus

La última topología mostrada en la figura 1.ld es la de bus. en este caso, para al& par fuente-destino, el nodo fuente difunde el mensaje al medio de comun'idción de la red (bus). Todos los nodos pueden recibir el mensaje difundido simultanbmente, por lo tanto el mensaje tiene una dirección. Otra propiedad de la topología bus es la posibilidad de colisión en la red; una colisión pasa cuando dos o mas nodos de la red transmiten al medio simultáneamente.

Después de lo comentado anteriormente, la topología que se asemeja a las Iíneas"de alimentación es la topología bus. esto puede verse con claridad ya que todos !lob contactos eléctricos están conectados a las líneas de alimentación principal (Bus). Además cuando el módulo maestro envíe información a todos los esclavos conectados a la linea de alimentación eléctrica, la recibirán simultáneamente y solo responderá el que este siendo direccionado en ese momento.

1.5 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN Y DEL SISTEMA

'1

1 I1

El' protocolo es un conjunto de reglas y procedimientos. que proporciona una tecnid !uniforme para regir una linea de comunicación. Estas reglas y procedimientos proveen la administración, asignación y control de los recursos involucrados; también establecen métodos para evitar ylo solucionar problemas

1-14 1 1

acontekdos Dor situaciones de excepción, ocurridas en cualquiera de los elementos -..

que interhenen [17]. El l/protocolo de comunicación es uno de los aspectos más importantes que

hay que tomar en cuenta. I LO1 protocolos son definidos de la siguiente manerat1 8][19]:

Proiokolo de comunicación: es un método de software empleado para la codifi$ción y decodificación de datos, permaneciendo constante para cada transfiisión en el sistema. El primer propósito de este protocolo es poner el dato en u& banda base digital, para que sea más fácilmente reconocido como un mensaje real por parte del receptor. El segundo propósito es incorporar técnicas de &ificación para asegurar que los errores inducidos por ruido no ocurran fácihente, y cuando se. presenten, puedan ser siempre detectados. Por último, los ' algoritmos de software que son empleados en el receptor para la decodificación de datos, deben prevenir la recepción de los mensajes fantasmas inddcidos por el ruido, asegurar la recuperación del mensaje real de un flujo de bits entrante y que ha sido alterado por el ruido.

i !I 0 Protocolo del sistema es la manera en la cual los mensajes son coordinados

entrelllos nodos en un sistema. El primer propósito de esto, es asegurar la retransmisión del mensaje para corregir errores (handshake). En segundo lugar cooidina los mensajes para tener una maxima utilización y eficiencia en la red, y por'úliimo asegura que los mensajes no colisionen en la red.

'1 'I Los protocolos de sistemas mas comunes son:

Maestro-Esclavo (o tambibn llamado polling = sondeo)

Adeso múltiple con detección de portadora (CSMA) '1 Y "Token passing"

!!Los mejores protocolos aplicables a las líneas de alimentación eléctrica son "Token passing" [20] y Maestro-Esclavo.

'[El protocolo empleado es el protocolo Maestro-Esclavo ya que es el que más se apega al método de acceso empleado en este trabajo de tesis.

'¡Este método obliga a cada uno de los esclavos que permanezcan en ."silencio hasta que el maestro les indique la señal de "adelante". Está técnica MaestrobEsclavo también es conocida como sondeo (polling) [6]. Siendo mas específicos, utilizamos el sondeo de pasada de lista (rol-call polling) el que consiste en terjer un maestro encargado de enviar simplemente un mensaje a cada uno de los esclavos por turno, preguntando si el esclavo tiene algo de información que transmitir. Estos mensajes de sondeo tiene una dirección de lugar identificando el esclavo'/ que se ' está direccionando. Cada esclavo posee una dirección y solo

'1

I 1

I

i I! 1-15

' I

I I(

'I I/

Capitulo I - Conceptuallzaci6n de la red de control I I/

I) responde' cuando se le pregunta. EI maestro, generalmente, sondea a todos 10s esclavbsjen forma Secuencia1 y cíclica. Cabe mencionar que el Protocolo Maestro- Esclavb es utilizado en BACnet (Building Automation and Control network) I ISP (Interobe/ble Systems Project) y WorldFlP (World Factory Information Protocol) [el, en este trabajo de tesis lo empleamos para el Protocolo CEBW como Protocolo de acceso al medio de comunicación.

1.6 INTERFAZ CON LA LíNEA DE ALIMENTACIdN

#'Las líneas de alimentación eléctrica son otra de las alternativas para la transmidón de datos y así formar parte de los medios de comunicación considerados para la automatización de oficinas y residencias; además de que no ofrece gastos extras, no ocasiona modificaciónes a las instalaciones de los edificios y permite el fácil acceso a través de una interfaz mecánica en forma de clavija a travég db un contacto.

,(Algunas de las desventajas de este medio de comunicación es la baja impedancia, gran atenuación y muy altos niveles de ruido. Todos .estos parámetros presentan un comportamiento impredecible.

L~ I tabla 1.2 muestra las ventajas y desventajas de las líneas de alimentación e l é c t ~ ~ [21], que deben ser tomadas en cuenta para llevar a cabo la transferencia de datos.

': Un factor que hay que tomar.muy en cuenta son los cables utilizados en las instaladones eléctricas ya que pueden ser de diversos tipos, por lo tanto los efectos sobre' la impedancia en una red de alimentación son diferentes..

It .I

En una instalación eléctrica los tipos de cables utilizados dependen de diversos factores, uno de ellos las cargas eléctricas que alimentan.

t da atenuación que sufren las señales en este canal de comunicaciones, aume'nta en función directa de la frecuencia de operación (mismo efecto que se produce sobre el ruido del canal). Por otra parte, el ruido del canal se concentra en bajas frecuencias (< a 40 - 50 Khz). Los parámetros atenuacibn y ruido delimitan el ancho de banda Útil, el cual comprende entre los 50 y 300 Khz; por un lado el límite inferior.lo fija la concentración de ruido a bajas frecuencias y el límite superior lo señaia 'ía atenuación, que aumenta a frecuencias altas.

'I Respecto a la impedancia, puede catalogarse que variará entre 1 - 20 n típicamente. Este rango mencionado implica que el módulo transmisor debe sostener la misma potencia de transmisión aún a impedancias de 1 n (caso crítico).

En la tabla 1.3, se muestran los aspectos que deben considerarse para utilizar;las líneas de alimentación como medio de comunicaciones.

Una de las cosas muy importantes a considerar y que es de suma importancia es el transceptor ya que no importa que tan sofisticado pueda ser el protocolo del sistema ya que un bajo desempeño del transceptor será la limitante del sistema.

'I

't ,

'I 1)

1-16

'1 ,I

I1 't Car>nUlo I - Conceptualización de la red de control

I '1

Facilidad de acceso

Portabilidad 'I II '

Bajo costo I I!

Niveles altos de ruido

Niveles variables e impredecibles de impedancia, atenuación y ruido

Facilidad de acceso para propósitos de interferencia intencional

. .

Impedancia de entrada

Amplitud de la señal de comunicaciones.

,

'1 li

/ . i

Tipo de #Modulación

T i B p 1.3. Aspectos importantes para transmisión de datos en líneas de alimentación

1) i1

1.7 TÉCNICAS DE MODULACIÓN I /

T o p sistema de comunicaciones intenta disminuir la tasa de error, ocupar el minimoiancho de banda, transmitir a velocidades altas, utilizar baja potencia de. transmisión y reducir el costo de los equipos.

Cas comunicaciones en lineas de alimentación eléctrica deben realizarse con alguna kéknica de modulación que cumpla principalmente con buena inmunidad al ruido, resistencia a imperfecciones y a cambios en las caracteristicas del canal (impedankia, atenuación y ruido a las líneas de alimentación de C.A.) y bajo costo de realización.

Existen diferentes técnicas de modulación que se pueden aplicar en la transmisi$n de señales digitales sobre las líneas de C.A. tales como:

Modulación por Corrimiento en la Amplitud (ASK); Modulación por Corrimiento en la Fase (PSK); Modulación por Corrimiento en la Frecuencia (FSK);

'1

1 P.

1-17 I I(

,I .,

I a 5 0 R

Menor al 10% de la señal de la línea

( 120 VCA).

PSK, FSK o Spread Spectrum.

I

I '5

I i/

'I I!

capitulo 1 - Conce~tuallzacidn de la red de COnmd

I t I,

Modulación de Espectro Disperso (Spread Spectrum) la cual utiliza el principio de ampliar 41 ancho de banda de la señal de transmisión reduciendo SU densidad de potencia. Esta última técnica de modulación es una de las mejores y ofrece las siguientes ventajas:

Antiperturbación

Baja probabilidad de interferencia

Altri rango de resolución

Comunicación de acceso aleatorio para múltiples usuarios con capacidad de

,' da obtención de estos beneficios, origina algunas desventajas con respecto a

'!

' 1 I!

I it

' 1 I)

direckionamiento selectivo.

otras:ltécnicas:

Incremento en la complejidad de la circuiteria electrónica incre'mento en el ancho de banda, ocupación del espectro

Incremento en el costo del sistema

, ,

'I !I

1 La técnica de modulación que se utilizó en la realización de este trabajo 'de tesis: es la modulación por corrimiento de frecuencia (FSK); este tipo de modulación empleada, esta determinada por el transceptor (LM1893) que se utilizó. Por otro lado! el equilibrio que presenta la técnica de modulación utilizada en cuanto'a los aspectos que se deben considerar para aplicaciones de alguna técnica (los cuales son:; ,;rasa de error, Ancho de banda, Resistencia a imperfecciones de canal, Com,plejidad de realización y Costo) puede considerarse como bueno 1221 , por que la modulación FSK mantiene un balance en complejidad e inmunidad a deterioros en la señal y compoitamiento en presencia de ruido[21).

kl comportamiento de este tipo de modulación en presencia de ruido es' muy aceptable.

1.8 !ELEMENTOS QUE INTEGRAN LA RED PILOTO. I I1 I

I i~Los elementos que integran la red de control se mencionan a continuación:

Un: módulo de control maestro : el.cual es el encargado de realizar los encendidos/apagados de las lámparas para realizar las correcciones necesarias en! la iluminación, en función de los datos de los sensores que envien los medulos de control esclavo. Además tiene el control de encendido manual y la selección de umbrales

1 'I Un módulo de control esclavo : ' tiene como función supervisar los sensores, pa!ra realizar la detección de la variación de la iluminación .y la ocupación en el area controlada enviando su información al módulo de control maestro.

1 'I

, i/

1 8

I

I I

. . 1-18

1 1

j !

Caphlo 1 - COnCeDtUallZíICidII de la red de cOntr01

' Y 3) Un icanal de comunicación (línea de alimentación eléctrica): compartido entre

el módulo maestro y los módulos esclavos,, a través del cual se realizara la transferencia de información. Utilizando un transceptor por portadora de corriente corno intedaaz entre las lineas de alimentación y el sistema digital,

I1 ') En la figura 1.2 se muestra el diagrama a bloques general de la red de control

Tipo de red

Protocolo de comunicación ' al que mas se asemeja

LINEAS DE SUMINISTRO ELECTRIC0 1120 VCA)

Jmf"-

LAN

CEBus

o . . ESCLAVO ESCLAVO MAESTRO

Topología

Protocolo de acceso al medio

Red de distribución

Modulación

Figura 1.2 Diagrama a bloques general de la red de control

Bus

Maestro-Esclavo

Corriente portadora

FSK

I n En la tabla 1.4 se muestran los parámetros utilizados en la red de control piloto.

I 11

TABLA 1.4 Características de la red de control

. ,

' t I1

1 ) 1-19

!I , I ' I

Capítulo 2

SENSORES I II

I I1

I '1

2.1 IINTRODUCCIÓN '1 I( ..Hay numerosas razones para querer reducir el consumo de energía eléctrica

en los iedificios. Un sistema ideal de control de iluminación será aquel que proporcibne un buen nivel y control de iluminación para que las tareas en un área controlaba se realicen con suficiente confort y comodidad durante el tiempo de ejecuqón de la misma. El resto del tiempo la iluminación estará desactivada y esto se puehe lograr mediante diferentes estrategias y técnicas. de control que proporciynaran un ahorro de energía y en consecuencia un ahorro económico a los usuarios, y como resultado de ello disminuira la capacidad de generación de la compañias de eléctricidad.

' 1 ¡I

I I)

/ I

11 I) Para decidir cual método de control es el mejor, primero se debe considerar

los patron'ks de ocupación. Arriba del 80% de, los ocupantes de un edificio llegan entre 7 a.m. y 9 am. y salen entre4 p.m. y 6 p.m.

Algunos métodos de control, tales como los temporizadores de horario y los controles 'komputarizados, trabajan encendiendo la iluminación poco antes de que los ocupantes lleguen en la manana, y la apagan después de que los conserjes hacen su ronda en la tarde.

Sin' embargo, estos sistemas son inflexibles. Además de que los temporizadores de horario no pueden apagar las luces en espacios individuales.

lxisten varias posibilidades de ahorrar energía mediante diferentes tipos de control .de iluminación (tal tecnológia se conoce como edificios inteligentes ya que permiten Ila detección de una serie de variables a través de un sistema de control autornatico), que se describen a continuación 1231:

Conthl luminoso (fotoceldas) 1 '1 Mediante el uso de fotoceldas, se puede ahorrar energía en los recintos que

colindan'kon ventanas, ya que' se puede utilizar solo un porcentaje de la iluminación artificial aprovechando más la luz natural.

Además, existen casos donde se inhibe el uso de la luz artificial, mientras la luz natuiki sea suficiente durante el día.

:'!Es importante considerar factores como el uso de cortinas o persianas, ya que si ;lai oficina que tiene la fotocelda instalada, tiene cerrada sus cortinas, el nivel de iluminacion artificial del resto de los recintos conectados a la fotocelda, se elevara &un cuando la iluminación natural sea suficiente.

iLa ubicación de las fotoceldas ha sido un factor importante, ya que es necesario evitar sombras ocasionadas por arbustos u otros objetos. ' I1

,

Control horario

':Este se ha realizado mediante la programación de los encendidos y apagados de los circuitos de iluminación, tomando encuenta las costumbres de uso del inmueble.

! Ecte tipo de sistemas ha sido rentable en proyectos donde se controlan otro tipo de krgas además de la iluminación, como el aire acondicionado, refrigeración, bombeo, etc.

Control de ocupación ;i 11

I' Esta medida permite el control por zonas de cada área determinada, de manela' que cada una cuente con su control de apagado independiente. Tal. vez el uso dejapagadores manuales sea más económico. Sin embargo, el factor humano siempre perjudica la obtención de los ahorros pronosticados.

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2-2

. , . I/ , .

Capítulo 2 - Sensores

,

A pebar de que en muchas instalaciones como edificios y . comercios la, aportación de luz.natural es excelente, la'falta de controles manuales o automáticos evita un Óptimo aprovechamiento de éste recurso: Mediante el control se puede apagar durante ciertas horas del dia las lámparas que estén colocadas cerca de las ventanas o1 bajo, domos o láminas translúcidas. En la actualidad, ¡os diferentes géneros d,e edificios en el mundo consumen grandes cantidades de energia fósil no renovable; el uso intensivo de los combustibles fósiles provoca la emisión, en la mayoria de' los casos innecesaria, de contaminantes a ' la atmósfera, con el consecuente deterioro ambiental.

En 'e1':desarrollo de este trabajo de tesis, se trato de aprovechar al máximo la luz natura¡ que proporcional el sol durante el transcurso del dia en los edificios.

Para I lograr esto, primero se tuvieron que considerar los parámetros necesarios siendo estos los siguientes: la luz natural del medio. exterior (luz solar), la luz natura¡ del medio interior (cantidad.de luz existente en el area controlada), y la luz artificial.'l(iuz de las lámparas); además con el fin de tener un mayor ahorro de energía también tomamos en cuenta la' ocupación del área controlada. Una vez considerados los parámetros a sensar se procedió a elegir los sensores para cada una de las variables mencionadas quedando de la siguiente manera: Se usa unal fotocelda para detectar la iluminación natural y artificial interna del recinto; un fototransistor para sensar la iluminación externa y, por último se utiliza un sensor, de ocupación para detectar la presencia .de las personas que entren o salgan del á!ea controlada. Los tres tipos de sensores serán los encargado de llevar a cabo 1a;:supervisión para lograr el control de la iluminación, ya sea apagando o encendiendo completamente las lámparas (sensor de presencia), o encendiendo un determinadoi número de lámparas dependiendo de la iluminación que exista en ese momento en'iel recinto (sensores de iluminación). Con esto se pretendió cubrir todo lo que concierne a la iluminación en los edificios para tener un mejor ahorro de energía. ,~

2.2 TECNOLOGíAS DE SENSORES DE OCUPACldN . ' ,

El método de control de iluminación que proporciona y provee el mayor ahorro de 'e3ergia y flexibilidad es por medio de el sensor de ocupación, ya que puede ser utilizado en forma independiente o en conjunto con otros sensores para cubrir de hanera mas eficiente el área. Estos sensores trabajan encendiendo la iluminacióh cuando una persona entra a un área controlada y las apaga cuando el área esta vacía.

El ahorro de energía es mas grande con sensores de ocupación [24], que con otra forma'he control de iluminación por que la iluminación solo estará encendida en el área que esté ocupada. Por ejemplo, cuando el personal sale a comer, a alguna otra parte, el área controlada queda vacía por lo que se apagaran las lámparas y no habrá unl.desperdicio considerable de energia. En cambio en un sistema de control horario solamente podría apagar las lámparas en las horas programadas.

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2-3

'I

11 I Además, los sensores de ocupación pueden ser instalados para crear zonas

de iluminación con las cuales se permitirá encender solamente las que estén ocupadas y no en todo el Diso de un edificio.

'I Las tecnologías comúnmente existentes son descritas en las siguientes secciones.

1 I1 2.2.1 iTECNOLOGíA INFRARROJA

kasivos- Reaccionan sólo a fuentes de energía como el cuerpo humano.. Por lo tantd!son menos sensibles a movimientos pequeños y son ciegos ante cualquier barrera; por lo que son adecuados para pequeñas áreas delimitadas y espacios de bajo mdvimiento [23]. Este,,tipo de sensores "sienten" que existe presencia de gente cuando'miden diferencias entre el calor generado por el cuerpo humano'y el calor de las (éredes y el mobiliario:

' Las lentes del sensor dividen el área en zonas. Cuando un cambio de la energía; infrarroja se detecta en una de las zonas, se asume que el área está ocupada. Los sistemas basados en detección por infrarrojo (PIR) usan elementos piroeléctricos dobles, para detectar la .ocupación. Cuando uno de los elementos percib(e.11 energía infrarroja antes que el otro; genera pu~sos positivos, unos milisegundos después el otro genera pulsos negativos creando un estado de encendido en el sensor.

Las lentes de fresnel las utiliza el sensor PIR para "observar" el cuarto o área que conbola. Contrariamente a los sensores de ultrasonido, que pueden detectar presenc/a a través de barreras sólidas, los sensores de infrarrojo tienen que "obsehar" el área que ellos controlan. Las particiones o estantes imposibilitarán la dete&¡& en ciertas áreas! Los censores infrarrojo detectarán mejor el movimiento cuando &te 1 se realiza cruzando el área que cubre el sensor, sucediendo lo contra,hA cuando el movimiento que se realiza es muy próximo o muy :lejano del mismo:

:La luz natural puede causar falsas detecciones o que cuando exista presencia no se active el dispositivo, ya que la diferencia de temperatura entre el sujetoily 'lei medio ambiente no será suficiente, Por esta razón los sensores utilizan un filtro; para la luz del día con lo que se reducen los efectos negativos de la 'luz natural [24].

2.2.2 TECNOLOGiA ULTRAS6NiCA

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I

1

Activos- Contienen un transmisor y un receptor de ondas sonoras que permite[antinua detección del mas mínimo movimiento. Por su principio de . funcioyamiento son capaces de percibir la presencia humana aún cuando el ojo del sensor,no vea directamente a la persona.

Los censores de ultrasonido son detectores de movimiento volumétrico que utilizan el principio, Doppler para detectar movimiento en el área controlada;

2-4

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. . CaDítulo 2 - Sensores 1 I/

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t rabajanjy el rebote ultrasónico de las ondas en 10s objetos, midiendo la cantidad de tiempo que estas toman en retornar ai sensor.

~ 1 ; nhmiento de una persona en el área causa que las ondas de sonido retornen'a'más alta 0 más baja frecuencia, resultando un corrimiento Doppler y, por 10 tanto, detección de ocupación. Estos sensores transmiten sonidos poi encima del rango del audio humano (el rango de ultrasonido se encuentra entre 20 KHz y 500 MHz y la'limpieza ultrasónica se encuentra entre 20KHz y 40 KHz). Los censores de ultrasonidoicontienen un transmisor y uno Ó varios receptores. Las ondas de sonido son prodbcidas por un oscilador de cristal de cuarzo,

Debibo a que la difusión de los sensores ultrasónicos es en tres dimensiones, las ondasl u)trasónicas saldrán del sensor y rebotarán contra las paredes, el suelo y el techo dándole al sensor la habilidad de detectar pequeños movimientos. En espacios ';cerrados, el correcto posicionamiento del sensor es esencial,' ya que. si este puede [observar" por la puerta podrán ocurrir falsas detecciones. También, las corrientes d'e aire provenientes de los ductos de aire acondicionado pueden causar una operacipn errática del sensor. Existen censores que utilizan una circuitería de procesamiento de señales especial que filtra el sonido generado por el movimiento del aire verificando los pequeños cambios de dirección que generalmente'ocurre en las turbulencias de aire. El' movimiento de las personas crea una señal de movimiento en una sola dirección.

Una, vez descritas cada una de las tecnologías para sensores de ocupación, en este trabajo de tesis se optó por emplear un sensor ultrasónico para llevar acabo la detección ,pe las personas, en el capítulo 3 puede verse el diagrama del sensor así como el funcionamiento del mismo y en el capítulo 5 se explica porque se eligió este tipo de sensor

I I1

2.3 SENSORES DE LUZ NATURAL < 1)

Los bmponentes que cambian sus características eléctricas de acuerdo con un cambio en' la intensidad o frecuencia de incidencia de radiación electromagnética (EMR) son 'llamados transductores Ópticos. La palabra "Óptica" tiende a connotar luz visible; sin embargo, muchos de los trasductores ópticos que están actualmente en uso son seysitivos a frecuencias fuera del rango visible. Generalmente los transductores' ópticos caen dentro de unas de las siguientes categorías: fotownductivos ( aquellos que producen un cambio en la resistencia de acuerdo con la intensikd. de EMR) y fotovoltaicos ( aquellos que producen una corriente o voitaje de acuerdo con la intensidad de EMR)[25].

En el desarrollo de este trabajo de tesis, por parte de los sensores de iluminación '!se empleó una fotocelda y un fototransistor. En las siguientes secciones se rnencioAa7 mas detalles de estos dos dispositivos; los componentes que conforman a cada sensor se mencionan en el capítulo 3.

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CaDHula 2 - Sensores f 'I

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2.3.1 FOTORESISTENCIA , ./

Los"~~nsores de luz que emplean, una unidad con efecto fotoconductor son disPositiVoS resistivos cuya resistencia .decrece al aumentar la iluminación, se denominan frecuentemente fotoresistencias, aunque también son conocidos como LDR (Ligh!:. Depend Resistor) O fotocbldas. .El valor absoluto de resistencia de un sensor fotofonductor, 'depende del material fotoconductor con que se fabrica; de SU

espesor; %ea de la superficie y geometría del material; geometría de los 'electrodos; composición espectral de la luz incidente; nivel de iluminación; temperatura de operación; la diferencia entre los niveles de luz presente y previa; así como de los tiempos de 'bxposición a estos niveles (efect0.de historia de luz) (261. Este efecto de historia de la luz se refiere a el tiempo de respuesta, la resistencia en la oscuridad y la resisterha bajo iluminación. los que variarán dependiendo de las condiciones de .luz ami las cuales la celda ha .sido expuesta. En general, cuando la celda fotoconductiba se mantiene en ' la oscuridad por un largo periodo de tiempo, la resistencia $a a ser mas pequeña que aquella celda que ha sido expuesta a un nivel de claridad de luz.

Además, las celdas expuestas en .la oscuridad exhiben el tiempo de respuesta m$s lento que las celdas expuestas en un nivel de claridad de luz. El uso de las fotoceldas puede proveer una solución superior técnica y económicamente, para'muchas aplicaciones en donde la presencia o ausencia de luz es censada o donde la intdksidad de luz necesita medirse.

Los ),ensores fotoconductores de sulfuro de cadmio (CdS) y seleniuro de cadmio (CdSe) son los tipos más populares debido a que su respuesta espectral se encuentra ;centrada en la región de luz visible, además de su relativa alta sensibilidad a cambios de nivel de iluminación.

lineal. La no linealidad se pronuncia ai aumentar la ihminación. Cuando sei desea seleccionar una fotocelda uno se debe hacerse dos Preguntas

La relación I 'I . magnitud-salida (iluminación-resistencia) generalmente' es no

básicas: I ' I1

i 11 1 .- Que tipo de función realizara la celda? 2.- En que tip6 de medio ambiente trabajara la celda?

Las ca:acter¡sticas que se deben tomar encuenta en una fotocelda son las siguientes [27]:

Sensibi/idadi.-I La sensibilidad de un fotoconductor es la relación entre la luz que cae sobre el'dispositivo y el resultado de la señal de salida. En el caso de una LDR, es el compodamiento con la relación entre la luz incidente y la resistencia correspondiente de la celda. En la figura 2.1 puede verse esta relación.

Definir la sensibilidad. requerida para una aplicación especifica, puede ser uno de los aspectos mas dificiles en la especificación de un fotoconductor. Para

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! 11

2-6 I 1,

1 I!

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'. CaDíiulO 2 - Sensoras ! ./

. . , I/

especifiw: la sensibilidad, uno debe hasta cierto punto caracterizar la fuente de, luz en térm/,nos de su intensidad y del wntenido espectral.

\ - Iluminación

'I I1 Figura 2.1 Relación de iluminación contra resistencia

Respuesta espectral.- Como el ojo humano, la sensibilidad relativa de una celda fotoconductora es dependiente de la longitud de' onda (color) de la 'luz incidente. Cada tipo de material fotoconductor posee una curva de respuesta espectral, o gráfica de la respuesta relativa de. la LDR contra la longitud de onda de luz. En la figura 2.2 pdede verse esta relación..

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!: Longiiud de onda

Figura 2.2 Respuesta espectral ! 11

En la figura 2.3 puede verse la. respuesta espectral relativa típica del material tipo " O (Cero) tara la fotocelda comparado con el espectro visible, el cual esta limitado dentro de ias'longitudes de onda desde los 300 a 700 nm. El ojo humano no capta todas las longitudes de onda de luz con, la misma sensibilidad, pero se puede mencionar que la maxima sensibilidad del ojo es a los 555 nm, por lo tanto, como puede verse en la figura, el material de tipo " O trabaja aproximadamente en éste espectro. ii

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400 500 555 600 700 em 300 1000

Longitud de wida ( nm )

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Figura 2.3 I/ Comparación del espectro visible con el espectro del .material O

La vhductividad de la fotocelda incrementa con la intensidad de la luz.. La resistencia dpica de una celda puede cambiar desde los 50 MR en la oscuridad a 1 O R en la claribad.

La lesventaja de los fotoconductores es que tienen muy pobre sensibilidad, estabilidad y velocidad.

Caracierisficas de la pendiente.- Esta es una característica importante de .las fotoceldasiporque en muchas aplicaciones no solamente es el valor absoluto de resistencia a un nivel de luz dado el que interesa, sino también al valor de la resistencia. cuando la fuente de luz varía. Una manera para especificar esta relación, es $or el uso del parámetro y, el cual es definido como una línea recta que pasa a tray& de dos puntos específicos en la curva de la resistencia. Los dos puntos usados por el fabricante Vactec para definir y son 10 luxes (0.93 fc) y 100 luxes (9.3 fc)'(figura 2.4).

Resistencia eb 0scun'dad.- La resistencia en oscuridad, es la resistencia de la LDR bajo condiciones de iluminación cero. En algunas aplicaciones esto puede ser muy importante yalque la resistencia de oscuridad define que corriente de fuga máxima puede ser esperada cuando un voltaje dado es aplicado a la celda.

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I Caoftulo 2 - Sensoras II

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1 1 ,,LOG (Resistencia)

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Log R, - Log R, Loga - Logb

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LOG (iluminación)

Figura 2.4 Características de la pendiente

I 11. La nesistencia de oscuridad es a menudo, la resistencia mínima que puede

esperarse ,5 segundos después de que la LDR ha sido movida de una intensidad de luz de 2 fc: Los valores tipicos para resistencia en oscuridad tienden a un rango de 500Kn a 200 Ma.

Coeficienté de temperatura de resistencia- Cada tipo de material fotoconductivo posee una'kesistencia contra las características de la temperatura. Adicionalmente, el coeficientejde temperatura del fotoconductor, es también dependiente del nivel de luz al cual esta operando.

Analizando las curvas de los varios tipos de material, se observa que, el coeficiente'; de temperatura es una función inversa del nivel de luz. As¡, .para minimizar los1 problemas de temperatura, es deseable tener operando a la celda a los mas alt6s.niveles de luz posible.

En geJeral las celdas de CdS tienden a'tener el coeficiente mas bajo de temperatura mientras que las celdas CdSe tienen el coeficiente mas alto de temperatura de resistencia.

Velocidad de respuesfa.- La velocidad de respuesta es una medida de la velocidad a la cual una 'LDR responde a un cambio desde la oscuridad a la claridad, o desde la claridad a la oscuridad. El tiempo de subida es definido como el tiempo necesario para que la.conductancia de la luz de la fotocelda alcance I -Ve (o acerca del 63%) del valor final. El decremento o tiempo de caída es definido como el tiempo necesario para que la conductancia de la luz de la fotocelda se decremente a l i e (o cerca del 37%) dePestado iluminado. En general el de la celda CdS es mas bajo que las de CdSe. 'A 1 fc de iluminación los tiempo de respuesta son tipicamente en el rango de 5 mseg a 100 mseg.

'La velocidad de respuesta depende de un número de factores incluyendo el nivel de luz,; el efecto de la historia de la luz, y la temperatura ambiente. Todos los tipos de materiales muestran una velocidad mas rápida a altos niveles de luz y velocidad m'as lenta a niveles de luz mas bajos.

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1 I/ I,

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2-9 ~ >.

. ,, Ultravioleta Luz visible (para Rayos x y Rayos gama)

" I$ 4. * ' Infrarrojo

(Para ondas de radar) - . .

. , ,. . . , . !

Canítulo 2 - Sensores . . , 8 / / 'I

. . '1 ,;i '1

una vez descrito todo 10 anterior la fotocelda seleccionada en este trabajo de tesis es la rP5OAe3 1271 que es de material tipo "O" de sulfato de que tiene una respuesta espectral aproximada a la del ojo humano, esto puede' veice en la figura 2.3.) Además este sensor cubre casi todo el espectro que abarcan las lamparas como se muestra en la figura 2.7.

" //

). // 2.3.2 FOTOTRANSISTOR

Un fototransistor 'es un transistor bipolar sensitivo a la luz que se' usa como un detect@ en aplicaciones de nivel alto-bajo. Comparándolo con un fotodiodo la mas alta ganancia es acompaiiado por no linealidad, a consecuencia de la variación de l.3 con!$:. Además el tiempo de respuesta .es menor. Así, el fototransistor no es tan bueno como el fotodiodo donde las características de linealidad y velocidad son importantes.. Algunas características que presenta -el fototransistor con relación al fotodiodo soh las siguientes: mayor sensibilidad, menor,rapidez, mas flexibilidad.

Cuando el 'fototransistor incluye la terminal de base, esta le permite la polarizacion! del transistor, lo que puede aumentar la linealidad, además de que facilita distintos modos de trabajo.

El fototransistor es controlado por la radiaci6n de la luz. La unión base colector es aumentada y trabaja' como un fotodiodo parcial inverso controlando el transistor. ' a

La co-riente depende de la densidad de radiación y la ganancia de corriente del transiS~0~~[28].

AI igual que en la fotocelda en la selección de un fototransistor se tienen que considerar !los mismos parámetros anteriormente mencionados, que a continuación se describen'ten forma general:

Serikibilidad Respuesta en función de la longitud de onda Curva de calibración (linealidad, no linealidad) Velocidad de respuesta Facilidad en el tratamiento de la información

~1 fo/oransistor elegido en este trabajo de tesis es el PT380F [29l(en el apéndice A se muestran sus caracteristicas). EI cual opera en la región del espectro infrarrojo ~ , ~ q U e es utilizado para indicar que cantidad de luz existe en el medio exterior a través del contenido del infrarrojo que exista en la IUZ natural durante el transcurso de¡ día.

Estol:se debe a que el contenido de infrarrojo en ia iUZ Solar es bastante considerable, irnientras que las lámparas emiten IUZ con muy POCO contenido de infrarrojo. '

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1 I/

CaDítulo'z - Sensores

'1 I! En, la figura 2.6, puede verse el espectro' de las lámparas fluorescentes

comparadas con el espectro del material tipo O y el espectro del fototransistor, como puede observarse el espectro de las lámparas es cubierto en forma adecuada por el espectro ':de la fotocelda seleccionada y .que el espectro del transistor no es afectado en forma considerable por el espectro de las lámparas.

En'ila tabla 2.1 se muestra en forma general las características los tres tipos de sensores empleados en el desarrollo del trabajo de tesis.

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Figura '2.6 Comparación de los espectros del fototransistor y las lámparas I " fiuorescentes. , i/

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1 I/ 'i ! I

Tabla 2.1 Características generales de los sensores

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2-12

Capítulo 3

DISEÑO DEL HARDWARE I .' I

3.1 INTRODUCCIÓN

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En la actualidad existen muchos métodos para controlar la iluminación, pero estos tipo: de control solo manipulan dos o tres lámparas por sensor, produciéndosb por lo tanto, un costo muy elevado en donde haya mas de tres lámparas, ya :que cada sensor es relativamente caro. Por lo tanto con este trabajo de tesis se' &ato de manipular un mayor número de lámparas con tres tipos de censores (ocupación e iluminación) para cubrir de una mejor manera el área controlada, !udlizando censores mas económicos (fotocelda, fototransistor).

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' CaLIÍtulO 3 - Diserio del hartintare . . ! I/

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I li Con el trabajo de tesis desarrollado se pretende fomentar el desarrollo de nuevas estrategias que nos 'permita automatizar el' control de la iluminación 'en edificios y reducir costos en cuanto al desarrollo del hardware.

3.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 1 ./I

I .!I , .

Una .rVeZ considerados 10s parámetros para la. detección de ' iluminaci60, Presencia Yila SelecciÓn de 10s dispositivos fotoconductores, como se mencion6 en el capítulo 2, en el desarrollo del hardware se procedi6 a agregar 10s componentes a d i c i o d s , Para poder realizar el acoplamiento con ef microcontrolador del sistema;

Tafh el módulo de control maestro como el m6dulo de control esclavo están construid& base .al microcontrolador 80652 de'8.bits de la familia 8051, el cual cuenta con a puertos de E/S bidireccionales, programabfes en bytes o bits, y un puerto s e h i además, contiene dos contadores de 16 bits y dos temporizadores. Tienen también en común una memoria EPROM de 8 Kbytes, y un "Latch octal tipo D con salidaide tres estados. 0bviamente.los programas de cada memoria EPROM son diferehtes ya que uno es para adquirir datos y otro para controlar las variables de ¡luminacion por medio de los.actuadores. El microcontrolador de ambas tarjetas opera a una frecuencia de,6 Mhz. Cabe hacer mención que, el microcontrolador mencionado 1/anteriormente. se utilizo porque es .con el cual se contaba en el momento deli,desarrollo del hardware pero de igual manera se pudo haber empleado el 8031 o el 8051 para ambas tarjetas ya que maejan el mismo conjunto de instruccione5, ahora si se quiere minimizar en cuanto a componentes y tamaño de la tarjeta se puede emplear el 8751, ya que se evitaría el uso de memoria EPROM externa porgue este microcontrolador cuenta con una EPROM interna. La diferencias:ehtre los dos módulos son:

El hódu/o Maestro tiene una interfaz de comunicación con el usuario, a través de una pantalla de cristal líquido, el cual es útil para seleccionar el umbral de encendido b2 las lámparas a través de interruptores momentáneos (pushbutton), por otro lado, también cuenta con encendido manual, el cual estará activo por un tiempo definido. También cuenta ' con los actuadores que llevan acabo el encendidolaphgado de las lámparas; por último, tiene una memoria RAM no volátil para respaldo de la información de los umbrales que se hayan seleccionado en caso de coitelde la energía electrica o desconexión del módulo.

El +du/O esclavo tiene una' interfaz con los censores de iluminación, por medio de un &ircuito de adquisición de datos de 8 bits (convertidor analogoldigital), 110 serial, mientras que el sensor de presencia esta acoplado directamente al microcontrolador a través de un optoacoplador. Los dispositivos seleccionados para el desarrollo de las tarjetas de los módulos de control maestqo y esclavo se describen en el apéndice A.

I

1

3-2

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II

i .c caDjtU/O 3 - Diseilo del

11

3*3 l N t E R F a , .. CON LA LiNEA DE ALIMENTACIdN

Ambos módulos de control maestro-esclavo utilizan una pequeña tarjeta de interfa*! idéntica, desarrollada por National Semiconductor, que se muestra en la figura 3il!l

E! dispositivo principal es el LM1893; .que es un transceptor por portadora de corriente (que actúa como transmisor y receptor), y tealiza una comunicación semi- duplex (biheccional) a través de las lineas de alimentación eléctrica del edificio, Ilevándo,se la transferencia de información entre los módulos en forma serial.

Esta tarjeta de interfaz esta conectada entre el sistema digital y las líneas de alimentdcibn eléctrica; por la parte digital .la tarjeta solo esta conectada mediante sus tres)sdñales de control (DATA IN, DATA OUT WRX') con.el microcontrolador (TX, W,' $1.0); Por la Parte de potencia se encuentra conectada a través de un transformador de acoplamiento a las líneas de suministro eléctrico.

Por.iimedio del software la tarjeta de interfaz entrará ya sea en modo recepción o en modo transmisión, en donde el modo de selección lo lleva a cabo. la línea .Pl!.O!/del -microcontrolador que se encargará de manipular a la entrada de control T X / Y de la tarjeta de interfaz, esto puede verse en la figura 3.7 y 3.15, ya que en ambas tarjetas se utilizan las mismas líneas de control.

3.3.1 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSCEPTOR 1 !I

I 11 , . I

Cuando se están .transmitiendo los datos seriales del microcontrolador, .se genera una! señal portadora senoidal que es montada en las líneas de potencia y que es m:odulada en corrimiento de frecuencia (FSK) entre el rango de 50 Khz a 300 Khz, en la líneas de alimentación eléctrica en el modo transmisión (TX).

Para !el desarrollo del trabajo de tesis se eligió una frecuencia de modulación de 120 Khz (por que es a la que mejor opera el transceptor en la tarjeta de desarrollo be acuerdo al fabricante), y una velocidad de transferencia de información;de 300 baudios (150 Hz) usando la línea de 120 Vca de SuminiStro eléctrico a 60 Hz, como bus de comunicación.

En"el modo recepción (W) la señal que viene superpuesta'en la línea de alimentación pasa a través del transformador de acoplamiento hacia el interior del receptor ,,,si@ndo recibidos por un PLL demodulador, el cual se encarga de extraer la información del flujo de bit para conducirlos al microcontrolador. Cabe mencionar que todas las funciones de modulación y demodulación de los datos se llevan a cabo internamente en el transceptor auxiliado por la circuiteria externa[l8].

Por; otra parte el transceptor por portadora de corriente (CCT) puede Ser manipulado por los microcontroladores de cada módulo de control maestro-esclavo, ya sea para 'transmitir o recibir datos, mediante la activación o desactivación del pin 5 del transceptor, en la figura 3.1 puede observarse las señales de control.

En la'hgura 3.2, se muestra el diagrama de bloques de la red de control y la interfaz.

1 ,

8 , 3-3

I 8'

I/ Capitulo 3 - DiseAo del hardware

En la tabla 3.1 se resumen los parámetros a los cuales opera el transceptor

;/ 1s

' I Frecuencia del canal de comunicación IFL ~ 60 Hz

i00nF

' I Frecuencia central de la portadora

, I, TABLA 3.1 Parametros de operación del CCT

I Fo = 120 KHz I/

' . 13 6 4 3 16 14 DATA IN 15

0 10

LM 1893N , .t 11 16 1 2 7

cs2 cs1 T - 8,

1

INTERFASE A'lA UNEA DE POTENCIA

10K CA

d l8Vcd

Figura 3.1 Diagrama del CCT con el soporte de componentes discretos

3.4 DESCRIPCIÓN * , DEL MÓDULO MAESTRO

Cuando se energiza el modulo 'maestro por primera vez, inicialmente las lámparas permanecen encendidas, hasta que el módulo maestro recibe los datos procedentes.de algún módulo esclavo direccionado, procesando la información para 'realizar el &ntrol de la iluminación mediante. la conmutación de los relevadores de

I1

,I I:

3-4 ! I1

. .

Ca~itulo'3 - Dlseao del hardware 1 I1

! I/

estado solido. Estos relevadores conmutaran de acuerdo a los datos recibidos de los sensores; es decir, en función de la cantidad de luz que exista en el area controlaua los relevadores conmutaran para apagar las lámparas necesarias. de acuerdo' a los niveles de iluminación existente en el recinto. Estos relevadores tienen l'a l'particularidad de poderse conectar directamente a los puertos del microcontrolador ya que su terminal de mando es compatible con TTL. En este trabajo de' tesis se utilizaron tres lámparas fluorescentes compactas de arranque rápido de 22 Watts.

Cabe mencionar que también se realizaron pruebas con lámparas de tubos fluorescentes de'arranque instantáneo de 39 Watts, con balastro (ver capitulo 5).

! It

Líneas de alimentaci6n eléctrica

1 1

i II

Sistema de control Maestro

, I'

, I 1

S .0 - Sensor de ocupaci6n F.T - Fototransistor F C - Fotocelda

Figura 3.2 Diagrama a bloques de un sistema de portadora por lineas de potencia usando el C.I. LM1893 como interfaz a un sistema digital

' ! II

La pantalla de cristal liquido (LCD) con la que cuenta el modulo' maestro se utiliza para desplegar el puntero del nivel seleccionado (set point), el nivel de luz actual y los letreros de indicación. Se cuenta con 7 niveles de iluminación los cuales pueden ser 'modificados con los interruptores momentáneos (pushbutton). Con la selección del nivel podemos retardar o adelantar la conmutación de encendido o apagado de las lámparas , por ejemplo, si la primera lámpara encendia a las 530 hrs y si selsdlecciona otro umbral ahora encenderá a las 4:15 hrs; esto quiere decir,

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I1 3-5

~, 1,

Capitulo 3 - Diseno de/ hardware , 8:

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que a trave: de la selección se esta provocando que el umbral se adelante o que se atrase, no sin antes aclarar que el control no es horario.

Por otra parte, el LCD también muestra. las direcciones de los esclavos, indicando! dh que momento se encuentra en transmisión o en recepción el módulo maestro, también despliega un mensaje si se tiene el control de las lámparas en modo automático, o en modo manual.

En la figura 3.3 se muestra la distribución de los caracteres en el LCD para la condici@s normales de operación y en la figura 3.4 se muestra el LCD con el mensaje cuando entra en modo manual.

El caracter "<" solamente aparecerá cuando el nivel de iluminación en el área sea demasiado bajo o que la fotocelda no este bien conectada; el mensaje de "MANUAL! besaparecerá una vez que transcurra el tiempo programado del encendidoimanual, y nuevamente cambiara a modo automático (A).

Tambien se desplegaran los mensajes de "ERROR EN RX" este mensaje solo aparecerá':caando se haya incurrido en un error y se realice nuevamente la retransmisión del mensaje.

I I/

1) Indicador de control automático 2) bajo nivel de luz (L - low, carácter fijo) 3) Indicador del nivel de luz que existe en el área controlada 4) +it0 nivel de luz ( H - high, caracter fijo) 5) Indicador de transmisión o recepción 6) Indicador del número del esclavo direccionado 7) Esclavo (E - esclavo, carácter fijo) 8) puntero seleccionable del nivel de umbral deseado 9) Este carácter solo aparece cuando se esta en el modo de selección

I 1 del umbral 10) Punto de selección (Set Point - SP, carácter fijo)

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, llFigura 3.3 Presentación del LCD del módulo maestro

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1

Figura 3.4 Presentación del LCD en modo manual , ,!

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En la figura 3.5 se presenta la colocación de cada uno de los interruptores de botón para la selección de los umbrales sobre la tarjeta de control maestra, y en la figura 3."6 se muestra el diagrama a bloques general del módulo de control maestro.

dc8ntinuaciÓn se describe el funcionamiento de los interruptores para entrar al modo lde selección de umbrales y modo manual:

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I 13

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Figura 3.5 Distribución de los interruptores instantáneos en la tarjeta del módulo maestro (pushbutton)

1 1

La !tarjeta de control maestra, contiene un interruptor momentáneo SW3 (pushbutton) para el encendido manual; cada vez que se oprima este interruptor, se encenderan'todas las lámparas y se desactivaran en forma automática después de un intervalo!de tiempo aproximado de 2 min. 30 seg.; durante este lapso de tiempo se interruhQira la comunicación entre los módulos de control esclavos y el maestro; cuando finalice el tiempo.de encendido manual, se reanudará la comunicación del maestro con,ei esclavo que haya quedado pendiente.

Cabe.hacer mención que el tiempo de encendido manual es corto, con el fin de solo visublizar el funcionamiento del el encendido y apagado de las lámparas, pero este ,'tiempo puede ser aumentado según sea el tiempo deseado.

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I 3-7

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~ I! CaDltulo 3 - Dlseilo del h a m a r e

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- a v - s s! O - EPROM SRAM

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- Memoria Memoria -

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1 d i r e p w s 1 t A Bus de datosldireccionec

&Bus de direcciones altas lnterfaz a la

alimentación lineas de LCD

,, 1 8 Figura 3.6 Diagrama a.bloques del módulo maestro

A traJes de la pantalla de cristal líquido (LCD), puede observarse'la selección de los umb5ales (set-point) de encendido de las lámparas; el propósito de estos umbrales 'es el de adelantar o retardar, el encendido o apagado de las lámparas (mantener; una iluminación tenue o muy iluminada del área) como ya se había mencionad0;anteriormente.

Los dmbrales podrán ser seleccionados 'por dos interruptores de presión, de la siguiente'manera: oprimiendo el interruptor SWl por un momento hasta que aparezca udcarácter de indicación ( 4 ) en la parte superior izquierda del LCD que indicara qdeiya esta en el modo de selección de umbrales; una vez que esta en este modo, se puede oprimir el interruptor SW2 para seleccionar el umbral deseado, por medio de':uy carácter en forma de flecha (k), una vez que es seleccionado se oprime nuevamente SW1 hasta que desaparezca nuevamente el carácter de indicación'de modo ( ).

Por,!olra parte durante el proceso de selección del umbral se interrumpe la comunicacióp entre los módulos de control maestro-esclavos, pero una vez terminado:, el proceso de selección, nuevamente se vuelve a entablar la comunicac/ón con el esclavo que en el momento de la selección haya quedado pendiente:iTambién puede observarse en el LCD, la variación de luz en el área controlada; la cual será indicada por el carácter ( I ), el cual se estará moviendo

1

I 3-8

18

Canitulo 3 - DiseAo del hardware I 1

~ I1 constantemente dependiendo de la cantidad de luz que exista en el recinto, y que es usad0.de referencia para seleccionar el umbral deseado. Por ejemplo: s i el carácter'( I esta Por arriba de la flecha (J) (observando el LCD de izquierda a derecha)! Será indicativo que el umbral que tenemos es menor, es decir, se interpretara como que existe mucha luz en el área, por 10 tanto no se encenderán las lámparas Y Si es al contrario, indicaremos que el umbral es mayor Y por 10 tanto se interpktará corno que existe poca luz) por IO que se encenderán el número de IámPara*. a'decuadas a la cantidad de luz de área controlada, y de .acuerdo al umbral seleccionado.

Enlcaso de desconexión del módulo maestro o corte de la energia eléctrica, no se perderá el umbral seleccionado en el módulo maestro, porque se cuenta con una mernoiia NV SRAM (Memoria de Acceso Aleatorio Ectáti.ca No Volátil, DS1225Y), .lila cual mantendrá. el ultimo umbral seleccionado, una vez que el suministro eléctrico se halla restablecido se encenderan todas las lámparas hasta recibir losldhos del esclavo para realizar el apagado de las lámparas de acuerdo al nivel luz "existente en el área controlada y el Último umbral almacenado se recuperara 3 nuevamente empezará a realizar el sondeo de los esclavos.

En '/a;, figura 3.7 se muestra el diagrama a detalle del módulo de control Maestro. ,¡

3.5 DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DEL MÓDULO ESCLAVO

. .

I ii I

I I1

La utilización de microcontroladores como dispositivos de control de sistemas reales hace hecesario un intercambio de información entre dichos sistemas. Esta informacióm son señales analógicas, las cuales deben ser convertidas a señales eléctricas hediante transductores y posteriormente a señales digitales mediante convertidores análogoldigital, para que el microcontrolador pueda realizar el algoritmo de 'bntrol.

El respltado de dicho algoritmo será la obtención de datos para que el módulo maestro realice el accionamiento de los actuadores: Por lo tanto, una vez que el módulo esclavo a sido direccionado por el módulo maestro, la .tarjeta de control esclava inicia la adquisición de datos de los censores de iluminación y ocupación, ,,mediante el convertidor serial ADC0831 y un multiplexor analógico 4052, para después enviarlos hacia el módulo de control maestro.

Las entradas/salidas del convertidor son configuradas para cumplir con el ' estándar de transferencia de datos serial "MICROWIRETM".

El "MICROWIRETM", no es mas que una interfaz de comunicación Serial de tres alambres; en el capítulo 4 podrá verse esto con mayor detalle. Solo los sensores de' iluminación utilizan el multiplexor para conectarse con el microcontrolador ya que el sensor de ocupación esta acoplado directamente ai microcontrolahor mediante un optoacoplador TIL1 11 como se muestra en la figura 3.15.

I /I 3-9

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Canítulo 3 - DiseAo del h a m a m , I 11

3.5.1 SENSOR DE ILUMINACIÓN UTILIZANDO UNA FOTOCELDA

üno de los sensores de iluminación utilizado es una fotocelda, que tiene un circuito; basic0 de medición en base a un divisor de voltaje, como se muestra en la figura 3,.8.

I1 -

R $13.3 K n

4 't 11

, Figura 3.8 Sensor de iluminación basado en una fotocelda it !I

El Circuito de medición esta alimentado con 5 Vok; para seleccionar la resistencia'! R fue necesario realizar varias mediciones de la iluminación existente durante 'algunos días en el área controlada, variando a su vez el valor de la resistencia'R con el fin de obtener una resistencia adecuada para obtener el rango de medicion mas amplio. Esto se realizó pensando en los umbrales a los cuales se deseaba'qbe las lámparas encendieran o apagaran, es decir, dependiendo de la resistencialR se obtiene un mayor o menor numero.de niveles de voltaje a la salida del divisor de voltaje y entre mayor sea el rango se puede definir mejor los umbrales de conmutación. En la figura 3.9 se muestra la respuesta de la fotocelda y el fototransistbr para un día nublado, como puede verse el sistema de control debe soportar b t e tipo de respuesta; en cada gráfica se tienen el muestre0 de dos días. En la figura 3.10 a y 3.10 b se pueden ver las curvas obtenidas para los días soleados; como puede verse en gran parte del día se mantiene un valor casi constante el voltaje de salida, siendo las partes críticas cuando esta amaneciendo (entre 530, y 8:OO) y cuando esta oscureciendo (entre 17:OO y 19:30) y es precisamente en estos intervalos de tiempo en los cuales se eligieron los umbrales de encendido y apagado de las lámparas.

Cabe mencionar que el encendido de cada lámpara se realizó por observación ya que no se cuenta con un fotómetro para tener una medida de iluminación del área controlada, es decir, a medida que oscurecía, según fuera necesario^ se iban encendiendo las lámparas que se requirieran; en el encendido de cada unaide las lámparas, se observaba en que nivel de voltaje se realizaba el encendido de la lámpara, y con la realización de esto para cada una de las lámparas, ,se obtuvieron los umbrales a los cuales debe encender cada lámpara.

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3-1 1

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Car>ítulo 3 - Diserio del hardware . ,

TIEMW , i F O T O C E L M 4-FOTOTRANSISTOR -t FOTOCELDA + F O T ~ ~ & ~ N S I S T O R

I !I

~ '¡I Figura 3.9 Datos de dos día nublado

La Única form'a de determinar, la cantidad de luxes a los cuales se esta conmutando el encendidolapagado de. las' lámparas, fue realizando un alc culo estimado; la fuente de luzlusada para la medición de la resistencia de la fotocelda, debe ser carácterizadaipor la intensidad y composición espectral. Vactec utiliza una lámpara de filamento de tungsteno teniendo una salida espectral de un cuerpo negro @ 2850 O K con una salida de candela potencia conocida, para una corriente y voltaje específicos,I &mo el fabricante posee sus propias lámparas, el mismo recomienda que una alternativa de bajo, costo es utilizar una lámpara difusa de filamentos de tungsteno de.!l00 W, tal lámpara opera a 120 Vca y produce aproximadamente 90 candela potencia (cp) de iluminación y una temperatura de color de 2700'K a 2800OK. 'I I'

por lo tanto aplicando la ecuación siguiente: 'I

(1) candela potencia

(distancia en pies)' Piecandela =

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~ I/ CaDitulO 3 - Diseiio del hardvare

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+FOTOCELDA -cFOTOTRANSISTOR -FOTOCELDA +FOTOTRANSISTOR

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, i/ Figura 3.10 Datos obtenidos de cuatro dias soleados

, .> CaDítulo 3 - Diserlo del hardware

1 !I se .puede obtener la distancia a la cual debemos colocar la lámpara de la fotocelda para m e d i r h resistencia, a esta distancia, obtenemos una fuente de iuz de 2 pies candela (fc) ya que es a la cual .el fabricante realiza sus pruebas de las fotoceldas; la distancia obtenida fue de 6.70 fi (2.04 mts), y al tomar la lectura de la resistencia que propor6iona la fotocelda'con la fuente luz de 2 fc se obtuvo una resistencia de 3.8 KQ entonces con este valor de resistencia se puede obtener la curva de resistencia contra iluminación como se muestra en la figura 3.1 1.

, . . . Entonces utilizando 'la ecuación delLdivisor de voltaje básico, de la figura.3.7- se puede obtener el vaioi en luxes al cual esta la fotocelda operand0.para.cada uno de'los voltajes de umbral seleccionados, 'por lo tanta aplicando la ecuación 2 a los voltajes de, /umbrales seleccionados obtenemos los valores de resistencia y su equivalente en luxes como se muestra en la tabla 3.2.

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' 1 1 "

1 :

1) I1

Los!niveles de iluminación se obtienen de la.curva obtenida de la figura 3.1 1, referenciando las resistencias calculadas para la fotocelda de cada umbral obtenido, cofi la curva paralela a las otras obtenida a 3.8 Ksz

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I 1'

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4i 1 fc = 10.76 lux

Tabla 3.2 Niveles de iluminación de los umbrales seleccionados

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0.01 o. 1 1 2 10 1 O0

?! ILUMINAC16N - PIES CANDELA I li

, I1 Figura 3.1 1 Características de resistencias contra iluminación típicas

3.5.2 S E N S ~ R DE ILUMINACIÓN UTILIZANDO UN FOTOTRANSISTOR

De igual manera que en la fotocelda, se seleccionaron las resistencias para el sensor de Jluminación basado en el fototransistor (figura 3.12), solo que en este caso no era tan critico el rango de niveles de voltajes, ya que este sensor solo se emplea pa:a,,indicar al sistema de control maestro si es de noche o es de dia, mediante la disminución de la cantidad de infrarrojo en la luz que existe en el exterior del,lrecinto (ver cápitulo 2), y asi poder encender de manera mas rápida las lámparas.

En la iifigura 3.9, 3.10a y 3.10b puede verse el comportamiento del fototransistor durante el transcurso del día.

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CaDítulo 3 - Diserlo del hardware I I/

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4.7 KR VSALIDA

Luz natural

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,! /Figura 3.12 Sensor de iluminación basado en un fototransistor <

3.5.3 $.ENSOR DE OCUPACi6N DE TECNOLOGiA ULTRAS6NiCA It

Por,:otra parte el sensor de ocupación elegido utiliza la tecnología ultrasónica, A continuación se proporciona una explicación del funcionamiento del sensor ultrasónico seleccionado cuyo diagrama se muestra en la figura 3.13.

Ell sensor esta construido alrededor de un par de transductores ceramicos, los cualesi,convierten la energía de movimiento a energía eléctrica y viceversa. La frecuencia de operación de este par es de 40 KHz.

Algúh movimiento que se produzca en el área rastreada por el transductor se detectara produciéndose un pulso. En este circuito el pulso enciende un LED (Diodo Emisor de Luz). En la tarjeta se tienen salidas para utilizar este pulso y conectarlo a otro circuito para realizar una función determinada.

El 'cimuito cuenta con un interruptor para utilizar un reset automático con un tiempo de '0.3 seg. después de que el sensor ha sido disparado o para que permanezd enclavado hasta restablecerlo manualmente. La unidad trabaja confiablemente desde 4 a 8 metros dependiendo de la selección de sensibilidad y de la direción del movimiento.

3.5.3.1 DESCRIPCIÓN , ., DEL CIRCUITO I

Transmisor.- Un oscilador de compuertas CMOS y un cristal sincronizado alimentan; una onda cuadrada de 40 KHz a una compuerta inversora CMOS, el cual esta conectado a otra compuerta igual del transmisor en antifase para obtener la máximamlsalida.

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3-16

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Capitulo 3 - Disefio del hardware $ I / . I .I

CIRCUITO TRAIISHIOR

I II

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I it CIRCUITO RECEPTOR

Figura 3.13 Sensor de ultrasonido 1 ,I

I /I Receptor.- La señal eléctrica detectada es amplificada por el transistor T3.

Ellas son; aijemás amplificadas por el amplificador operacional IC1 el cual también se referencia a los picos negativos de la señal para un predeterminado nivel de DC. La salidaid& IC1 es convertida a DC en un detector de pico y entonces se toma para la entrada no inversora del IC2 El circuito de retroalimentación en este operacional puede ser" ajustado por el potenciómetro de sensibilidad para controlar la

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4 . /I . .

CaDHUlO 3 - Dlseao del harham , ., ,~

. . 'I ,! !I

del amplificador. Si no hay cambios en el nivel de la señal entrante Ic2 rápidame'nte se ajusta para permanecer con una salida alta,

' ' Las ondas reflejadas por diferentes objetos Ilegan'al receptor con diferentes fases. si ! 4 a s están en fase, ellas se 'suman para crear una señal mas grande, si ellas están fuera de.fase, ellas se cancelan para dar un señal mas pequeña.

A k&da que un objeto se mueve hacia o lejos de la unidad receptora por una distancia Pequeña (Cerca de 1 Un), fuerza a la señal del recept0r.a través' de un ciclo aitoibajo, es decir, el-cambio cuando esta'en fase a cuando esta fuera de fase; 10 cual dispara.a la unidad. La salida alta permanente de IC2 es c0nmUtada.a bajo, causando:;lil conmutación a la compuerta CMOS del IC3: Ellas están .arregladas en configuración disparador ."Schmitt". Cuando el pin 4 está en alto, conmuta el arreglo Darlington de transistores, el cual enciende el LED. Está señal esta disponib1e.a 'través de &nos conectores en la tarjeta y es la que va conectada al microcontrolador a través de'/!un optoacoplador TIL111 y un disparador Schmitt 74LS14 ya que el' voltaje de 'salida que proporciona el sensor es de 7 volts y con el optoacoplador se disminuye:!a'[,5 volts para tener. Iá compatibilidad con los demás componentes de la

!I 11'

. . tar jeta.escv. . . . .

Cabe mencionar que el tiempo de reset automático de 0.3' segundos se modificó a.130 segundos cambiando el capacitor de 2.2 pF por uno de 100 pF. Lo anterior se' ti'izo. para poder realizar la supervisión de los esclavos, y dar tiempo para lograr. detección de presencia de las personas, es .decir ,si una de las tarjetas esclavas que tiene el sensor llegara a detectar presencia pero en ese momento esa tarjeta no est.@ direccionada por la tarjeta maestra, el sensor mantendrá su señal de salida en alta por un lapso de 30 segundos lo cual permitirá a la tarjeta maestra detectar 1a;phesencia en la que incurrió dicha tarjeta , de igual manera pasara con las otras tarjetas esclavas cuando el sensor detecte la presencia de alguna persona.

Cabe mencionar que para el trabajo de tesis se contemplaron probar cada una de. las '!diferentes tecnologías de sensores de presencia, pero solo se consiguieron,, el sensor de ultrasonido y un sensor de movimiento por microondas, pero al realizar las pruebas de presencia; el que mejores resultados dio fue el sensor de ultrasonido en el capítulo 5 se dan a conocer las causas por las que se eligió este sensor.

En la figura 3.14 se muestra el diagrama a bloques del módulo de control esclavo. ' .

'Puedel'decirse que el m6dulo esclavo es el elemento primario de control, porque es el,,que está en contacto con el medio y del cual depende el módulo maestro para realizar las funciones de regulación de la iluminación.

En la,figura 3.15 se muestra el diagrama a detalle del módulo esclavo.

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CaDnulO 3 - Dlsefio del hadwarn . . , .:.. I ,/

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.. SO Censor de ocupaci6n FC Fotocelda FT Fototransistor . '

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. . , . . . Figura 3.14 Diagrama a bloques del.mÓdulo esclavo . .

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3.6 MAPA 'DE MEMORIA DE LOS MÓDULOS DE CONTROL MAESTRO ESCG.AVO

Con el m/c:ocontrolador 80652 a través de las señales de RD' y WR para la toma o almacenamiento de datos externos en RAM y la señal de PSEN para la lectura de instrucciones almacenadas en EPROM externo, podemos direccionar 64 K de programa y64 K de datos separadamente, es decir un total de 128KB; de los cuales empleamos 8; K para la memoria de programa y 8 K para la memoria de datos, además el LCD esta direccionado como una memoria de datos por lo tanto el mapa de memoria del módulo maestro esta distribuido como se muestra en la tabla 3.3.

Es impbrtante mencionar que en el módulo maestro la EPROM es controlada por el PSEY por lo que no requiere de una decodificación y la RAM es controlada por la WR' y la RD, en este caso solo hay' que considerar que el LCD es considerado como una RAM por lo cual se requiere de la decodificación de las' direcciones para direccionarlo. En el módulo esclavo no se requiere de un mapa de memoria ya' que solo se tiene la memoria EPROM, que es controlada de igual manera que i n el módulo maestro (figura 3.15). En las figuras 3.16 y 3.17 se muestra la ,I fotografía del prototipo y el prototipo como, producto terminado respectivamenje.

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3-19

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' LINEA DE SUMINISTRO

Figura 3.15 Diagrama a detalle del módulo de control esclavo I '1

3-20

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I TABLA 3.3 Mapa de memoria de los módulos de control

Módulo Maestro Módulo Esclavo I

3.16 ,Fotografía del prototipo de control de iluminación desarrollado

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3-21

Capfiulo 3 - Disedo del harhvare

,

SELECCION DE NNEL

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. .

3.17 Prototipo de control de iluminación como producto terminado

3.7 FUENTES DE ALIMENTACI6N

El módulo de control maestro requiere de dos voltales de alimentación uno de +5 Vcd para alimentar toda la circuiteria lógica, excepto al transceptor el cual requiere un voltaje de +18 Vcd

El módulo de control esclavo requiere de tres voltajes de alimentación uno de +5 Vcd para alimentar toda la circuiteria lógica, otro de +9 Vcd para el sensor de ocupación y uno mas de +18 Vcd utilizado por el transceptor

3-22

Cavítulo 4

DISEÑO DEL SOFTWARE

4.1 INTRODUCCI~N

Hay dos divisiones. importantes en un protocolo de red por portadora de corriente: El protocolo de sistema completo y el protocolo de comunicación básica

El protocolo.de sistema completo coordina los mensajes para que la red pueda realizarlos eficientemente y evitar la colisión de mensajes. Las consideraciones de eficiencia. incluyen métodos para recuperación de errores.

[301.

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Diseño de/ soffware ,j ' .

: . I I,.

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. . . , , ,

Usuálhente' el protocolo del sistema tiene un protocolo~de red común' básica, tales como, ;/.maestro-esclavo; "token ' passing ring",multimaeStro-esclavo, etc. 10s wales estan desarrollados para'una aplicación especifica. . .

transmi& ,cje. mensajes básico y recibe un esquema de detección de error que en

El propósito de los protocolos de comunicación es asegurar la recepción del mensaje libre de errores.. Además, el porcentaje de retransmisión del mensaje en el protocolo; de comunicación puede ser impactante. (por v.g. porcentaje de error del mensaje), ex algún protocolo de sistema dado para un medio ambiente particular como so; las líneas de alimentación eléctrica. .Por lo tanto el protocolo del sistema toma cuidado en la retransmisión.

Com'Ó se mencionó anteriormente el objetivo. principal de un sistema de transmisibn-recepción de datos es4a transferencia de la información sin'errores.. ' .

Para'ello se necesita de un' protocolo lo suficientemente robusto, que en este caso es.ot(a de las partes mas importante del sistema, después del transceptor, ya que no imqorta que tan sofisticado pueda ser el protocolo de comunicación, si la

Como se mencionó en el capitulo 1, el protocolo utilizado fue el maestro- esclavo.i: El cual consiste en tener un nÚmero.de esclavos, controlados por un módulo maestro;en d0nde.a cada esclavo se le asigna una dirección con el fin, de que solo rpspondan al'maestro cuando sean direccionados por el y así evitar las colisiones de datos, que en. este caso nunca se darán, debido. a que el maestro es el único'qhe le indica a los esclavos cuando deben:transmitir su información, por lo tanto los ' esclavos dependen.. del maestro para .realizar la transferencia de informaciólk.

4.2, DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DEL MÓDULO MAESTRO

Por; I otro I1 lado', el protocpio de comunicaciones, transmite ' un. formato de

. . . muchos casos es usado para cada mensaje. . . 1 1 1

. . ..

forma como se desempeñe el transceptor va a ser la limitante. . ' . .

I I1

"I.

El módulo de control maestro es la tarjeta principal del sistema, y es la que se encarga de iniciar la comunicación a través del transceptor por portadora de corriente ICCT) con los esclavos que tiene soportados la red; cada uno de los esclavos fiene una dirección especifica que sirve de referencia al módulo maestro cuando se esta llevando a cabo la supervisión, con el fin de saber que módulo esclavo esta siendo supervisado. Este sondeo de todos los elementos que forman la red se realiza mediante un envio cíclico de las direcciones que lleva' a cabo el módulo maestro, es decir, una vez que a terminado de monitorear a cada uno de los esclavos, nuevamente vuelve a empezar el monitoreo. Cuando el maestro ha recibido respuesta. de alguno de los esclavos direccionados comienza la transferencia de datos entre los dos módulos (el maestro y el esclavo direcciqnado) Y en este preciso momento el módulo esclavo que estaba como receptor pasa a modo transmisión y el maestro que estaba como transmisor, pasa a modo receptor, entonces el módulo esclavo empieza a enviar los datos recopilado

los identifica,' la cual

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4-2 I

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Diseilo de/ soffware 1 ':

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, . I ', .

de los sensoles de iiuminaci6n y ocupación. Cada paquete contiene lbs datos de los sensores mas la verificacion por redundancia ciclica (CRC); una vez que el esclavo ha finalizado el envio de los datos, nuevamente se pone en' modo recepción list0 para a ser direccionado. Mientras tanto, el módulo maestro realiza las correcciones de iluminación necesarias encendiendo o apagando las lámparas según seanllas condiciones de luz existente en el. área controlada y dependiendo también de la detección de presencia que se haya realizado. Una vez realizados las funciones; de control de .la iluminación, el módulo maestro vuelve. a realizar' el sondeo del siguiente módulo esclavo.

4.3 DESkRIPCION FUNClONAL.DEL MÓDULO ESCLAVO ' . '.

1 'I

.E~te'~móduIo de control es el encargado.de realizar la adquisición de las variables, de¡ medio .ambiente (luz y movimiento) en el cual está trabajando el sistema, >esta detección se logra mediante el uso.de los sensores de luz natural (fototransistor y fotoresistencia), así como de el sensor de ocupación (sensor

Cada módulo esclavo tiene una dirección específica a la cual. responderá cuando el, módulo maestro. se dirija a ella. Para realizar la transferencia de información entre los módulos maestro-esclavo se tiene un protocolo de comunicación. Además para la adquisición de 'datos de los. dos sensores de iluminación se tiene una pequetia interfase (MICROWIRE) entre el microcontrolador y el convedidor; mas adelante se darán mas detalles de esta interfaz.

La función de la tarjeta ' esclava, es la de mandar los .datos que esté obteniendo de los sensores hacia el módulo maestro, los cuales son enviados a través de las líneas de alimentación eléctrica del edificio.

ultrasónib), que están contenidos en este módulo. .~

4.4 FUNC~ONAMIENTO DEL CANAL SERIE DEL MICROCONTROLADOR

Como cada uno de los módulos esclavos se identifica mediante un código de dirección, ,!cuando el módulo maestro desee establecer comunicación 'con uno de ellos, simylemente enviará su dirección y se establecerá el dialogo.

Para efectuar esto, utilizamos la capacidad' que tiene el 80652 para comunicación serial que le permite recibir y transmitir datos simultáneamente (full duplex).' ,;los accesos a los registros de recepción y transmisión se realizan mediante el registro SBUF [31][32].

El formato de los datos enviados por la línea serie es: primero el bit de inicio, a continuación los 8 bits de datos, le sigue el bit de paridad, y por Último, el bit de

Utii'izamos el modo 3'(velocidad variable). Para ello, ponemos SMO = 1, SM1 = y SM2 ,= 1. Cuando el módulo maestro quiera comunicarse con alguno de los módulos esclavos, primero debe mandar su byte de dirección para identificar a

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paro. '! . ,

I 4-3

que esclavo se dirige. Un byte de dirección se diferencia de un byte de datos en que el noveno b'it es un «í ».

Toaos los esclavos tendrán'el bit SM2 activado,' para que solamente cuando se envíe .una dirección se provoque una interrupción, de modo que no, se vean continuamehe interrumpidos por los datos del diálogo con otros esclavos.

Cada uno de los esclavos analizará si el byte recibido corresponde con su byte identibador. Si es así, éste pondrá su .SM2 = O, conectará su traymisor y se preparará" bara intercambiar datos, .mientras el resto de 'los esclavos sigue ejecutando sus propias tareas ignorando los datos que fluyen por el bus, ya que estos tendrán su noveno bit = O.

Una :tez terminado el intercambio de datos, el 'control desconectará el

Teniendo una velocidad. de transmisión de' dato .de 300 baudios y una frecuencia de reloj de 6 Khz podemos determinare! valor de carga del registro, (solo podemos tener generación de baudios en los modos 1 y 3)[33],' para obtener la velocidad heseada de lo.anterior tenemos que:

transmisor y activara SM2. '. .

. . '. : 1 1 ' '

. . . . . . . 'fiemencia de oscilacion' . .

TH1~2.56- . .~ , :

384 (Baudios ) , .:

, I ' :I

sustituyendo y evaluando la ecuación anterior obtenemos que TH1 A 204'..(en hexadecimal'CC h). . ~

4.5 ESQUEMAS DE TRANSMISIÓN Y SINCRONíA DE LOS MÓDULOS DE . , l I / , . .

CONTROL I I/

Como se explicó e.n el capitulo 1, los protocolos son regias para llevar a cabo la comunicafión. Ellos incluyen una serie de comandos y respuestas, que proporcionan la coordinación y control del flujo de datos a través de toda la red. Los protocolos: también proporcionan los medios para la detección y corrección de errores y los medios para restablecer la comunicación y recuperar datos perdidos en caso del una falla en la red.

Un carácter es un simbolo con significado común y constante. Los distintos grupos de!ibits que representan el conjunto de carácteres que forman el "alfabeto" de cualquierti sistema dado, se conocen como sistema de codificación, clave, o código.

En el,/desarrollo del protocolo de este trabajo de tesis, se incluyeron caracteres:¡ que representan algún comando especial como lo es para la sincronización de los módulos, comandos para indicarle a los módulos que van a recibir una dirección o un dato, también se tienen comandos para indicar la finalización'de la trama y retransmisión de la misma en caso de haber sido afectada

: ., , ,

4-4

Disefio del soffwalk . . ! 'i

j ';

por el ,&O: en e[ trayecto y.comando de reconocimiento. A continuación Se da la descripción ,de los comandos empleados en el protocolo:

OOH )) (CARSIN = CaraGer de sincronía): Permite la sincronización entre 10s módulos de' control maestro-esclavo durante todo el protocolo de comunicación.

O/, (CODIR = Comando de direcciones): Prepara al módulo de control esclavo , indicándole que el siguiente byte es una dirección.

'' ACK *' (Reconocimiento): Este comando io envia el esclavo y es representado por la propia, dirección de el; indicándole al maestro que esta listo para transmitir los datos.

@ '' (CODAT = Comando de datos): Prepara al maestro, indicándole que los siguientes bits son datos. I' & SI (OK = Comando de recepción correcta) : Con .este comando el maestro le indica al,eSclavo que la trama se recibió sin errores.

'' I '' (NOK. = Comando de petición de retransmisión): Con este comando el maestro le indica! al esclavo que la trama llegó con error, y solicita retransmisión.

(FINvX=Comando de fin de transmisión): Este comando'lo utiliza el esclavo para indicarle al maestro que la trama ha finalizado.

" #I " (CERO= Comando de nivel bajo): Este comando lo emplea el esclavo para representar un cero que es enviado por el sensor de presencia.

Ai wntinuación se presentan los formatos de las tramas empleadas en .el protocolo.

En Ilpiimer lugar tenemos el formato de direcciones que consta de cuatro caracteres de sincronía y el comando de dirección que envía el maestro a todos los esclavos que están "escuchando" el canal, esto es con el fin de que si el esclavo "escucha"'su dirección responda con un reconocimiento, y es la manera como inicia el protocolo el maestro, en la figura 4.1 se muestra este formato. Durante este lapso de tiempo'iel maestro, a traves del bit del puerto P1.0, mantiene a su transceptor en modo transmisión y el transceptor del esclavo debe estar en modo recepción, el microcontrolador envía los datos por el puerto serie hacia el transceptor. Una vez enviado el formato de dirección el maestro establece un'tiempo de espera (time-out = tiempo cumplido) para recibir el reconocimiento de uno de los esclavos.

I I!

1 ' '

. . . . I / /

. . '1

. . 11

. . . .

'1 ,,

~ '1 ,

4-5

I :

O0 ~ .,

Disetio del software i

,I

O0 O0 O0 OK

' ,

. , .,

, 1:

':' ,I Figura 4.1 Formato para el envio de direcciones

Una vez que el maestro ha direccionado alguno de.los esclavos, éste le envia un formato .de ,reconocimiento (representado por la propia dirección del esclavo) para indicar que ha "escuchado" su dirección y se encuentra listo para iniciar la transferencia de información, en la figura 4.2 se muestra este formato. En este momento el esclavo tiene a su. transceptor en transmisión y el transceptor del maestro se encuentra en recepción. También en este intervalo el maestro establece un tiempo de espera para recibir la sincronía.de datos.

, . . I

I i!

O0 O0 O0 O0 @ DATOS a

, I

4-6

1 COMANDO DE DIRECCIDN 2 RECONOCIMIEKTD 3 COMANDO DE DATOS 4 M E N W E 5 COMANDO DE FIN DE M E N W E 6 RECONOCIMIENTO DEL MENSAJE

CON OSlN ERROR

Figura 4.6 Protocolo de comunicación de los módulos de II

control maestroesclavo

' I En la figura 4.7 se muestra el diagrama de flujo general del módulo de control maestro iEn el capítulo 3 se explicaron las funciones de los SW (pushbutton).

,; .,

' . 4-7

I P

I

r 'Xwmwao .1 I I

I

IS 1

r z

Dlsedo del sofhvare 1

. . . ~ ,!

i I1 4.5.1 ADQUISICI~N DE DATOS DEL CONVERTIDOR ND

El ' dispositivo utilizado para la. adquisición de datos es un convertidor análogo/bi&tal serial de aproximaciones sucesivas de 8 bits y un tiempo de conversión tipico de 32 ps, Este dispositivo tiene una interfase' Serial de tres lineas (MkROWIRE) con el microcontrolador [34], en la figura .4.8 se muestra el diagrama de tiempos con el que opera el convertidor para la captura de 'los datos seria1es;'tanto la frecuencia del reloj ~(CLK) como la selección del circuito (CS) para obtener los datos son generados por software, por Io tanto para obtener el tiempo de converiión mencionado se genero una frecuencia de reloj (fCLK).de 250 Khz. El tiempo de conversión esta .dado por :

, / o :

I !

1 t, = 8- faK

Entonces aplicando la ecuación anterior para una f CLK = 250 Khz obtenemos un tiempo"de conversión (tc) igual a 32 ps.

,; 2 . 3 4 5 6 7 8 , 9 10 11

I.

, -Le. , - , , - Seleccion ISET.UP

del C.1: i !i

. .

7 6 5 4 3 2 1 0 , 7. MSB LSB

Figura 4.8 Diagrama de ternporización del convertidor AID , $1

El,, tiempo de generación del . reloj y obtención del dato hacia el microcontrolador toma un tiempo de 170 ps; este tiempo es de un solo dato pero como sellreaka el promedio de 4 lecturas por sensor (solo en los de iluminación) tenemos un tiempo de 772 ps, por lo tanto el tiempo total de adqusición de los dos sensores, de iluminación es de 1.54 ms, mientras que el tiempo de adquisición para el sensor de presencia es de 12 pic ya que se toma el dato que este presente (1 ó O), la lectura de los censores de iluminación y presencia se realiza en forma ciclica empezanho la lectura por la fotocelda, el fototransistor y por Último el sensor de presencia. En la figura 4.9 se muestran los tiempos de detección para cada sensor.

8 .

4-9

I i:

6 I1

A continuackn se da una breve explicación del diagrama de la figura 4.10 de como funciona el'software para leer los sensores:

. . . . . , : /I SENSORES DE ILUMINACION . . . .

FOTOCELDA ' FOTOTRANSISTOR SENSOR DE PRESENCIA

MS - 1L P I-

. 1 I;

. , i

Si el*módulo esclavo no recibe su dirección (Dir'); entonces permanece en el estado de espera (a) en modo recepción (Rx), para ser direccionado.

Una'vez que el módulo esclavo ha recibido su dirección (Dir), pasa a modo transmisión (b), habilitando al multiplexor (Mux'), después al reloj (CLK) del convertido; y por último al propio convertidor (CS'); cuando esta seleccionado el multiplexor; para el primer sensor (Mux') que'en este caso es la fotocelda (c),-se procede a ;tomar la lectura de 4 datos obteniéndose el promedio de ellos; una vez obtenido e¡ dato promediado se transmite hacia el módulo maestro; .nuevamente el multiplexor! es seleccionado (Mux), pero ahora para realizar la lectura del siguiente sensor de,;iluminación (fototransistor) (d), volviéndose a obtener el promedio de los cuatro datos, procediendose a la transmisión del mismo hacia el módulo maestro:

realizada la lectura de los dos sensores de iluminación, se desactiva el reloj (CLK) y el convertidor (CS'), para dar paso a la lectura del sensor de presencia (e), una vez obtenido el dato se procede a la transmisión del mismo. Simultáneamente con la .transmisión de cada dato de los censores, se van almacenahdo en la memoria RAM interna del .microcontrolador del módulo esclavo y así, después del último dato enviado, se activa la rutina de verificación (e) que calcula e k R C de los tres datos; el resultado se transmite con el fin de proteger los datos de las condiciones del canal de comunicación, y de nuevo se vuelve a poner el mÓdulo!esclavo (a) en modo recepción, listo para ser nuevamente direccionado.

Figura 4.9 Tiempo de .lectura de los sensores . . . . , ...

U'na vez

I ' I .

El rango de voltaje de entrada analógico del convertidor es de O a 5 Volts, por lo tanto como el convertidor es de 8 bit (2*), a la salida del convertidor se tiene de O a 255 (O0 a FF Hex) códigos decimales , donde cada código es equivalente a 19,6 mV del voltaje de entrada analógico de cada uno de los sensores de iluminación. El voltaje de entrada análogico para la fotocelda varía de 4.70 a 2 Volts y el voltaje en el fototradsistor varia de 1.23 a 4.82 Volts. En la figura 4.1 1 puede verse los códigos que genera cada uno de los sensores.

.I

I ,I

4-10

Diseno del software

O I L O .-

i I,

- Dir

Mux CLKf

Mux

CLKS

Figura 4.10 Secuencia de lectura de los sensores

3 4.62 V 4.40 v = E2 h

0 0 1

SP sensor de presen 1 ¡a

FC. fotocelda FT fototransistor

I

Figura 4.11 por los censores ,. ,(

4.6 ETAPA DEL CONTROL I

' 1 I/ En:esta etapa es

de los ,ire+sultados obtenidos por los diagrama )de flujo de la etapa del

En81a primera etapa del para el! &sor de presencia ,

control de iluminación en función 4.12 se muestra el

con el bloque de decisión que se realicen o no la

~ iJ

' I 4-1 1

I I

. . . . . . ! t

. .

, , . ,

Diseño del software . . r Ji

. . . . ! '5

, .

siguientes ,etapas dependiendo de la presencia del usuario, es decir: Si Se detecta presencia p&remos a las siguientes etapas procediendo a encender el n"mero.de lámparas nefesarias: según sea la cantidad de iluminación ,que Se neesite en el área controlada. '. j

CabeI, mencionar que aunque haya . .presencia, si la iiumina6bn es suficientemente buena en el área no se encenderá ninguna lámpara.

Si no ,hay presencia.el maestro seguirá con el "sondeo" del siguiente esclavo: Una \;ez detectada la presencia, en'la siguiente etapa se tienen bloques de

decision paria la fotoresistencia.VR y fototransistor VF, la función de ellos es la de indicarle al maestro que' encienda rápidamente todas las lámparas en caso :de detectarse yn voltaje de oscuridad total VOSCT en ambos censores (es decir si se cumple~tanto VF=VOSCT como VR=VOSCT) de lo contrario no se realizará ninguna función y, se pasara al siguiente bloque de decisión, que es donde se lleva el historial HlST de las lámparas encendidas; en el programa empezamos con HIST=O para entrar ,al primer bloque de control. En la figura 4.12 podemos ver está primera etapa.. '

En1 esta parte del diagrama puede 'verse que tenemos cuatro umbrales (VLO,VMO,VHO,VLl), con los cuales se compara la señal de voltaje proveniente'del fototransistor VR, en esta etapa.de control se encenderá solo una lámpara solo cuando VR'cVL1 poniendo en la bandera de historia 'HIST=l, indicando con esto que ya esta encendida la primera lámpara y.cuando se vuelva a'preguntar por HlST , se podrá continuar con la siguiente etapa de control.

Ciiando VRNLO entramos a la etapa donde se tiene un control sobre la histéresis producida por la fotoresistencia, esto ocurre por lo siguiente: cuando el área controlada esta oscura la fotoresistencia lo.detecta y le indica al control maestroiique encienda la lámpara, cuando se enciende la lámpara, ahora la fotoresistencia, le indica al control .maestro que hay mucha luz por lo que manda a apagar la !lámpara, por lo tanto estos encendidos y apagados de la lámpara se controlan en esta parte del programa, .es decir si VRWMO ó VRcVHO, se mantendrá.el ultimo estado de la lámpara ya sea encendida o apagada y la bandera de historialse mantendrá en O mientras estemos en esta parte del bloque, y con esto se evita la histéresis.

Es,,importante mencionar que mientras el estado de la bandera de historia HlST sd mantenga con un mismo dato siempre se estará en el mismo bloque de control correspondiente al dato de la bandera de historia. y solo se cambiará a otro bloque delcontrol cuando la bandera cambie, además de que por cada lámpara que se encienda se pondrá un dato diferente en HIST, excepto pata la primera parte del programa $a que se usa para controlar la histéresis como puede verse en la figura 4.13

'I

I 'a

, *.,. ! .'

. .

4-1 2 '1

~

- - - -

VF YOLTAIEENFOTOTRANSISTOR VR VOLTAIEENFOTORESISTENCIA m w msmm DE LA LAMPARA

- VOSCT vM VOLTAJE DE UMBRAL MEDIO

VOLTAE DE UMBRAL ALTO

NO

Figura 4.12 Diagrama de flujo del control de iluminación

Diseflo del software ' I1

, ',

Por oba parte, una vez que se ha cambiado la bandera de historia, podemos accesar e[ siguiente bloque de decisión y así sucesivamente hasta encender las tres lámparas; pbr cada etapa de programa que accesemos se encenderá una lámpara cuando este oscureciendo ó se apagará una lámpara cuando se este aclarando la luz del área'controlada.

Durante la noche todo dependerá del sensor de ocupación y de las condiciones de VF y VR ya que siempre que detecte presencia encenderán las iámparasl 'I

!

HlST - o

r I I Apsg. 3 lamp 1 .i 0 0 mm ~ o VR > VLI

I '. 'IHIST=O(

, : m .

Figura 4.13 Control de encendido e histeresic de la primera I ! lámpara

En, la figura 4.14 se puede ver el diagrama de flujo utilizado por el módulo esclavo.

! .

', :

, I1

4-14 'I

Diseflo del sofhvare

Iniciilir.ri6n U del p r o g r i n i

Recepción de U la dirección

Adguiriri6n de dilos de I.. ssnroici

i ,, Figura 4.14 Diagrama de flujo utilizado por el módulo esclavo

I 4-15

Disedo del software 1 I1

~ I

4.7 RESPUESTA DlNAMlCA DE LOS UMBRALES DE CONMUTACIÓN

En el bpítulo 3 se.describiÓ como se obtuvieron los umbrales seleccionados a los cuales, se esta produciendo el encendidolapagado de las lámparas; en la figura 4.15 de muestra la respuesta dinámica ' de estos umbrales, y a que horas empiezan ;;a aparecer, en función de las condiciones de iluminación. del área controlada, I' , .

, .

! it

, ,.

4.4t 3.68 3.50

, 1 . . 54.5 6:OO 6:15 6:30 6:45

tiempo 5 . .

,Figura 4.15 Respuesta dinámica de los umbrales de conmutación

En la figura 4.15 puede observarse que los umbrales no tienen una hora exacta de'taparición, sino que tienen un intervalo de tiempo en el cual se dan las condiciones de oscuridad requeridas para que se hagan presentes; las horas mostradast son horarios para un día soleado, es decir, si las condiciones de oscuridadpe presentan a una hora mas temprana,. puede hacerse presente uno, dos o los'! tres umbrales y por Io tanto encenderán las .lámparas requeridas de acuerdo: al grado de oscuridad existente. Por lo regular cuando los umbrales se hacen presentes a. una hora temprana, se debe a las condiciones climatológicas, principaimente con los nublados. En la misma figura también puede verse que la aparición :kecuencial de cada uno de los umbrales no se decrementa uno con respecto a otro, excepto para los dos primeros ya que el tercer umbral aparece con un mayor 'boltaje con respecto al segundo. Esto se debe a que la iluminación de las dos lámparas encendidas anteriormente, conforme vaya oscureciendo, se va haciendo 'mayor de tal forma que al encender la tercera lámpara se debe tomar en cuenta :este nuevo nivel de iluminación en el tercer umbral, con el fin de poder

:I

4-1 6

I Disefio del software

, i ,_

mantener las.i, lámparas encendidas y no se presente la hist8resis1 Por tal motivo este umbral es mayor, como puede verse con claridad en la figura 4.15, la curva representa $a, respuesta de la iluminación natural conforme Va disminuyendo Y,

consecuencia, la suma de los niveles de iluminacibn de' las 'lámparas encendidas se va haciendo mayor a la iluminación natural; entonces, si se tuvieran mas .umbral& cada umbral debe contemplar la iluminación de la lámpara anteriormente encendida mas la iluminación de la lámpara que se debe encender es decir:

Primer u m b h : Este umbral solo depende de la luz natural, si hay poca luz en el recinto se enciende la primera lámpara.

Segundo umbral: Se toma encuenta la iluminación natural mas la iluminación de la primera iáhbara y la iluminación que proporcionará el, encendido de ,la segunda lámpara, $Sto con el fin de matener encendidas las dos lámparas y no se incurra en la histéres,is.!

Tercer u m f h : Se considera la iluminación natural mas la iluminación de las dos lámparas ' e n d i d a s anteriormente y el nivel de iluminación que proporcionará el encendido de la tercera lámpara; cabe mencionar que cuando se llega a este umbral la iluminación natural es muy poca por lo que se depende mas de luz de las dos Iámpar&, ya que conforme se oscurece la iluminación de estas dos lámparas se hace mayor, por lo tanto se selecciona un umbral de iluminación mas alto que contemple alas tres lámparas con el propósito de evitar la histéresis.

'4.8 PERiODO DE TIEMPO CUMPLIDO (TIME-OUT)

En'la'sección 4.2, durante la explicación de los esquemas de transmision, se mencionaron lapsos e intervalos de tiempo para recibir un comando o un

nto y evitar que los módulos se queden parados en caso de no recibir informacióni alguna. Por ejemplo, consideremos que el maestro esté realizando un "sondeo",,de la línea. Después de que el maestro envía un mensaje para que el esclavo transmita (modo transmisión), el maestro cambia a modo recepción para recibir la rdspuesta del esclavo direccionado. Si esté ultimo por algún motivo no contestara,, el maestro podría quedar "esperando" para siempre. Para evitar esta situación, en el momento de enviar el mensaje para que transmita el esclavo se activa un reloj que cuenta un intervalo de tiempo predeterminado. De esta manera, el maestblretoma el control de dos formas: porque llega una respuesta que lo activa o porque 10 activa el reloj, cuando se vence el tiempo determinado.

El""time-out" de un carácter es determinado de la siguiente manera: como estamos'empleando el microcontrolador en modo 3 tenemos un total de 11 bits por carácter ly ' h a frecuencia de datos de 150 Hz por lo tanto utilizando la ecuación siguiente 1171:

. . 1

. , /I .

1 'I

, I,

4-17

mi

Dlseño de/ software I¡

1 ;

;,, . . . . ' r I/ ;'.

. . , . . . . . .. ., . . .

No de Bits . ' . . T;=

2 F D A T O ' , " . . ' y . . . . . . . ..

. .

. ' . 1 Tg = tiempo de bits

1 :

Por, ejemplo para un' carácter tendremos un tiempo de 36.67 ms. De la misma forma podemos determinar el tiempo para cada "time-out" utilizado durante el protocolo usando un pequeño tiempo de tolerancia. En la tabla 4.1 podemos ver el tiempo utilizado en cada transmisión, utilizando los bits de sincronía y su respectivo comando.'!

1 iJ

j 1 1 ' . 4.9 CÓDIGO DETECTOR'DE ERROR

-..

Los c.Ódigos~ correctores de error se utilizan algunas veces para la transmisión de datos? por ejemplo cuando el canal :es simple, de tal forma que no pueden soticitarse retransmisiones, pero en general, y para tener una mayor eficiencia, -se prefiere ten,er una detección de errores, seguida por una retransmisión.

!

38 ms Maestro'y el Esclavo Un solo carácter MSidstro 4 bits de sincronía y dirección

- I 190 ms Maestro 4 bits de sincronía y comando de datos

230 ms Esclavo 4 bits de sincronía y comando sin error o con

error 230 ms

, .

I!

r 81

Tabla 4.1 "Time-out" para .&da comando con sus respectivos bits de

E& Obvio pensar que en un medio de comunicaciones como son las líneas de, alimentación eléctrica exista una gran cantidad de errores , y esto se debe al medio ambiente hue es inhospitalario para la comunicación de datos, además el ruido es cotidiano de cualquier medio de comunicación. ocurriendo en ráfagas; Un error de ráfaga embieza y termina con un bit erróneo, aunque los bits intermedios pueden o no ser corrompidos. Por lo tanto un error de ráfaga, es definido como el número de bits entre dos bits sucesivos erróneos [35][36]:

Una sola ráfaga de errores se caracteriza por tenwun I inicial, una mezcla de O y I: 2 un 1 final, con el resto de los bits teniendo un valor de O [15].

La paridad o verificación total del bloque derivado no provee un esquema de detección'lconfiable contra los errores de ráfaga. En estos casos, la alternativa mas común en el uso de un código polinomial [35].

sincronía. ! II

I !I

1 II 4-18

I :#!

1 i/ L~~ códigos polinomiales son usados con esquemas de transmisión de marcos (e bloques). una simple selección de digitos verificadores es generado'para cada marco transmitido, basado en el contenido del marco, Y..es añadido Por el transmisor en la cola del marco. El receptor entonces realiza una operación similar en el marco completo y verifica los digitos; si no se han inducido errores, uno conoce el resultado que debe obtenerse; si es encontrada una respuesta diferente, esto indica'un error.

El!.numero de digitos verificados por marco es seleccionado para ajustar el tipo de ,fransmisión de errores anticipados, aunque 16 y 32 bits son los mas comunes. 'I

Los dígitos de verificación son referidos como la secuencia'de verificación de marco (FCS= Frame Check Sequence) o la .verificación por redundancia cíclica (CRC= Cyclic Redundancy Check) de los dígitos:

La longitud del paquete de datos es muy importante, esto es por que un paquete, de datos de longitud muy grande es mas afectado por el medio en que se transmite,.!pero también la probabilidad de detección de errores es mas eficiente en la recepción, pero no as¡ la probabilidad de realizar mas retransmisiones; en el caso contrario un paquete de datos de longitud pequeña es menos afectado por el medio, siendo ¡eli inconveniente la eficiencia de detección ya que existe una remota posibilidad de que el error no sea detectado; no así la menor retransmisión.

Existen tres polinomios que se han conveitido en normas internacionales, siendo estos los siguientes I14][34]:

i 11

CRC712 CRC;-lh

XI*+ x"+ x3+ x2+ x'+ 1 x'6+ x'5+ XZ+ 1

o. CRC-CCilT X"+ X"+ X5+ 1 . ,

Los tres contienen .el término x+l como factor primo. El CRC-12 se utiliza cuando la longitud del carácter es de 6 bits; en tanto que los otros dos, se emplean para carácteres de 8 bits. Un código de redundancia de 16 bits, como las normas. CRC-1'6 o CRC-CCITT, captura todos los errores simples y dobles, todos los errores con un número impar de bits, todos los errores de ráfaga con longitudes de 16 o menos bits, 99.997% de los errores de ráfaga de 17 bits y 99.998% de los errores de ráfaga de longitudes de 18 bits o mayores.

Por lo tanto el método elegido es el CRC-16 ya que es uno de los métodos de detecckh mas seguros, por otro lado es el recomendado por el estándar CEBus para la línea de alimentación eléctrica [6].

La longitud del paquete de datos utilizada en este trabajo de tesis, esta dado por los datos que envían los 3 censores de cada módulo esclavo; es decir 3 bytes y los 2 bytes que se envian como resultado del CRC, obteniéndose una longitud total de 5 bytes.

SE¡ método CRC consiste en realizar una división entre el paquete de datos y el código polinomial antes de que sean transmitidos; una vez realizada la división el

4-19

I Diseño del Software

cociente es descartado y solo se utiliza el residuo, que es enviado junto con el paquete de datos (como el CRC del paquete). Una vez que el paquete de datos es recibido por el receptor, este realiza una operación idéntica. Para comprobar que el mensaje esta libre de errores al dividendo se le suma el Tesiduo, el resultado de esta operación es dividido nuevamente por el código polinomial , y si el residuo es cero, esto'n8s indicará que el mensaje se recibió sin errores, en caso contrario nos indicará que hubo un error por lo cual se necesitará realizar una retransmisión del mensaje.

En leste trabajo de tesis, el módulo esclavo es el encargado de realizar el CRC de Ips' tres datos, obtenido de los sensores, para después transmitir los tres datos y el'iCRC (en total son 5 byte entre los datos y el CRC); el módulo maestro se encarga de"comprobar que los datos estén libre de errores, si la comprobación realizada ipyr el maestro es diferente de cero, entonces esto es indicativo de que durante la transmisión se alteraron los datos y se tendrá que realizar una petición de retransmisión del mensaje,

Y

Capítulo

PRUEBAS Y RESULTADOS 1 11

11

5.1 PRUEBAS REALIZADAS AL SISTEMA 11

Dyspués de haber realizado el software y hardware necesario para llevar a cabo el control de la iluminación, se procedieron a realizar las pruebas para verificar el funcioqamiento del sistema de control completo.

5.1.1 PRUEBA 1 :

SINTONIZACIÓN DE LOS MÓDULOS TRANSCEPTORES

La primera prueba que se realizó, fue la de verificar el funcionamiento de los transcepfores

11 Capítulo 5 - Pruebas Y Resultados

, .

Tomando la Fo (frecuencia central de portadora ), que se utilizó para este trabajo de iesis (120 KHz), podemos obtener la frecuencia máxima de modulación es decir:, ~

F= 1.022Fo

En este Liso la F~ 120 KHZ por IO tanto: . . il ' I /I F = 1.022(120,000) = 122.64 KHZ

Con esta, frecuencia calculada ahora podemos realizar los ajustes de' los transceptóres de la siguiente manera:

Rrimero, Para corregir el ajuste de la FO (Frecuencia central.de portadora) se pone al circuito integrado en modo transmisión (TX), se selecciona un dato de entrada, con nivel lógico alto (1 lógico), y se mide la transmisión de alta frecuencia, 1.022F0 en la E/S de la portadora.

Entonces tenemos que : , '

~ !I

Modulación = F - Fo = 2.64 KHz ,!

De esta manera en este sistema la señal portadora (120 KHz) se modula a 2.64 KM; para representar un "1" o un ."O. binario. Por lo tanto la frecuencia de 122.64 KHz es un "O" binario y la frecuencia de 117.36 KHz un "1" binario.

Siloa velocidad de transmisión es de 300 baudios y se envia una frecuencia 117.36 KHz por la linea durante 3.33ms representará un "1" binario de igual manera que para.un " O binario

Despues de lo anterior, se interconectaron los módulos transceptores a través de las l,ineas de suministro eléctrico, y por uno de los módulos se envio un tren de pulsos, que se genero con un biestable, observándose que el tren de pulsos se recibió perfectamente en el otro módulo. Para Jerificar que el sistema de cada módulo operaba bien se hizo un pequeño programa de transmisiónlrecepción de datos que consistia en enviar del módulo esciato al módulo maestro un numero determinado de cadenas de caracteres, las cuales se podían ver en los LCD. Cada uno de los módulos maestro-esclavo contenia un pequeño protocolo que consistia de bit de sincronía, comando de dirección, la dirección y la cadena de caracteres.

!Cabe mencionar que en esta prueba, se usaron los módulos transceptorec junto o h los módulos maestro-esclavo para poder realizar la transmisión a través de 1as:Iineas de alimentación eléctrica.

'EO la verificación de los transceptores se comprobó que los transceptores estaban' bien sintonizados. Mientras tanto en la verificación del sistema de control maestro!esclavo y transceptores se comprobó que estaban listo para realizar la trasferencia de datos a traves del suministro eléctrico.

,! !I

i il

5-2 , I

. . l. II

capitulo 5 . Pruebas Y Resultados

’ 11 . . . . ;:

‘i I(

: i II

1, /I

. .

. . . . . 5.1.2 PRUEBA 2 :

.. I VERIFICAC16N DE LA FUNCIONALIDAD DEL PROTOCOLO . .

.La ’ siguiente prueba consistió en verificar el ’ protocolo de comunicación desarrollad? entre los módulos maestro-esclavo.

Se interconectaron los mbdulos maestro-esclavo por medio de .la interfase estándarIRS-232; a cada uno de los’módulos se les instaló una pantalla de cristal liquido,i (LCD). Por otra parte entre los dos módulos se conectb un equipo probado; programable de comunicación de datos. fektronix 834, que con la programación adecuada de este equipo y en modo monitor uno puede observar la secuehcia de datos que son’enviadas.de un módulo a otro, esto se hizo para verificar que la sincronía, cpnando.de dirección,, comando de datos, los datos, el CRC y, e¡ comando de fin de mensaje se llevaran. en forma correcta de acuerdo a la. programación realizada, por esté inotivo .se utilizo la conexión a’ través de la interface1 RS-232. En kfigura 5 1 puede verse las conexiones. Para cerciorarnos de que la rutina que adquiría los datos de los sensores era la apropiada, los censores de luz fueron simulados con una resistencia variable, realizando un barrido de.toda ¡a escala del convertidor,(OO-FFh), los datos eran enviado& a una computadora a través de la interfase estándar RS-232 , utilizando un paquete de adquisición de datos (Plink), estos datos eran comparados con los datos ‘pieviamente calculados, de igual manera con el sensor de presencia, solo que este era mas fácil de probar por que solo se enviaba un “1” o un “o”.

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Probador programable de comunicación de datos TeMronix 834

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ase serial RS-232 ,: / /

1 II Módulo maestro Mddulo esclavo

I/ Figura 5.1 Conexión de los módulos maestro-esclavo y el probador I/ programable de comunicación de datos

, , con /a primera prueba se comprobó que las series de.caracteres ~ ~ v i a d a s entre los módulos se llevan a:cabo adecuadamente; a través de 10s LCD se obse&ron! 10s mensajes que se programaron, para desplegarse después de cada comando, del protocolo. Se pudo Verificar que ei protocolo operó sin ningún problema en la transmisión-recepción a través de la intetfase RS232, en esta prueba no hubo problemas en cuanto al ruido al que el medio de comunicación esta expuesto. Por otra parte la prueba de adquisición de datos resulto satisfactoria.

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5.1.3 PRUEBA 3 : ~ I( '., ' .

RESPUESTA AL RUIDO IMPULSIVO EN LA L~NEA DE ALIMENTACI~N ELÉCTRICA

. . Una vez realizado todo lo anterior se realizo la prueba del funcionamiento del sistema completo, utilizando ahora las lineas de alimentación eléctrica para la transferencia de información.

Para $.poder comprobar la robustez del sistema, se introdujo a las lineas de alimentación eléctrica ruido impulsivo, el cual se produce debido al cambio abrupto en las condiciones elétricas de las inductancias y capacitancias asociadas con los cables de alimentación y con las cargas elétricas.

Estos cambios abruptos se originan con el encendido y apagado de las cargas inductivas conectadas al suministro de energía eléctrica.

La forma del ruido impulsivo producido es una onda senoidal subamortiguada cuya-frecuencia de oscilación queda comprendida entre I O 4 Hz y IO ' Hz, no descaqándose frecuencias fuera de este rango [37]. Respecto a la amplitud, ésta puede 'alcanzar magnitudes desde 1 OOV hasta varios Kilovoltios: La duración normallde la onda subamortiguada es entre O.lms y varios milisegundos.

Cos factores que controlan la amplitud, frecuencia y duración de las oscilaciones, son los siguientes: condiciones de carga en la red de alimentación, magnitud de los componentes parásitos, magnitud del voltaje de la red de alimentación en el momento de la conmutación y características mecánicas del interruptor; siendo los dos primeros los que prevalecen al momento del endndidoiapagado de la carga eléctrica. Por otra parte, la magnitud de las oscilaciones disminuye a lo largo de la red de alimentación en función de la distancia; siendo esta disminución de acuerdo a las características de propagación de la red. Además, las cargas eléctricas introducen resonancias, reflexitjnes que hacen mas compleja, única e impredecible la distribución especfral de este tipo de ruido en cada punto de la instalación eléctrica. Con un amplio: rango de frecuencias y amplitudes que caracterizan a este ruido, lo convierten en el principal enemigo para las comunicaciones a través de las líneas de'alimentación eléctrica y pone a prueba el funcionamiento del sistema de comunicación que utiliza este medio: El estándar que se aplica para una onda

1 1

'1

subamortiguada (ruido impulsivo) en bajo voltaje es la estándar IEEE 587 (el cual viene en el estándar ANSI C62.41-1980) que describe los sobre voltajes transitorios en las líneas de bajo voltaje 1381.

Las /recteristicas del ruido que existe en las líneas de alimentación eléctrica es dependiente de las cargas conectadas. Entre las fuentes principales de ruido se encuentran los motores universales, controles de intensidad luminosa (dimmers), receptores de televisión y monitores de video [22].

De acuerdo a lo anterior, para la prueba se utilizó el motor de un taladro ( motor dniversal) como carga, el cual constantemente se conectó y desconect6 lo mas rápido posible (figura 5.2) con el fin de provocar inestabilidad debido al ruido impulsivo; en la gMica 5.3 a y 5.3b puede observarse el ruido provocado por el 1 encendido/apagado y conexiónldesconexión del taladro .(carga). Además de que ltun motor universal produce un ruido con un espectro de frecuencia suavemente distribuido ya que no contiene lineas espectrales estacionarias sobresalientes y esta dado por cargas que no operan en sincronía con la frecuencia de la señal de la línea de alimentación (60 Hz) como lo es un motor de un taladro, ya que contiene escobillas que causan impulsos de corriente en intervalos de tiempo que dependen de la velocidad del motor 122).

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Figura 6.2 Forma en que se conectó el taladro para inyectar ruido impulsivo I/

5-5

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, .I Capitulo '5 - Pruebas Y Resultados

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' : 5.3 a) Ruido impulsivo prgvocAdo por la conexión/desconexión . de .,. la . carga . . ' I ~ , . ' ' . . .

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5.3, b) Ruido impulsivo provocado por el encendido/apagado de la carga. 1 I! ' 5.3. Ruido impulsivo ocasionado por,el funcionamiento de un taladro '1 II El sistema soportó esta carga con el ruido anteriormente mencionado por un

tiempo, ?;pero después el módulo ' maestro presentaba un bloqueo en la transmisiónlrecepción y ya no se restablecía la comunicación,. como consecuencia de los encendidoslapagados.

Por lo tanto .se agrego al programa una'rutina de autorestablecimiento para romper el bloqueo al que era sujeto el módulo maestro, esta pequeiia rutina cumplió con el cometido, por lo tanto si se presenta el ruido impulsivo el sistema es capaz de soportarlo.

5-6

Caoltulo 6 - PNebaS Y ResultadW

I Cabe mencionar que el conectaridesconectar una carga (equipo eléctrico, etc.) ráp,idamente, no son condiciones normales, en esta prueba se realizó solo para tratar de producir inestabilidad (ruido impulsivo) en el sistema y tratar de ver como respondía.

5.1.4, PRUEBA 4 :

RESPUESTA AL RUIDO ARMdNICO EN LA L¡NEA DE ALIMENTACIdN ELÉCTRICA

I Otras de las pruebas consistió en verificar la estabilidad del sistema con el

encendido y apagado de diferentes tipos de lámparas.

Se wnectarón diferentes tipos de lámparas al módulo maestro, tales como lámparas compactas de luz de día, lámpara de arranque rápido con balastro electromagnético y. lámparas fluorescentes con balastro electrónico.

' El. sistema funciono bien con las lámparas compactas excepto que el tiempo de encendido después de que el sensor de ocupación detectaba presencias es bastante lento, ya que los cátodos necesitan de un precalentado, y este. es el tiempo que transcurre desde el encendido de la lámpara hasta.que emite luz, pero esto fue solucionado con las lámparas de arranque instantáneo porque en este tipo no se requiere del precalentado previo. Una inquietud que surgió durante las pruebas con las lámparas, fue la de probar un balastro electrónico sin filtro y que trabaja con una frecuencia de 24khz, con el fin de observar el comportamiento de la red de.control.

> . Cuando se conectó el sistema lámpara-balastro electr6nico al módulo de b h r o l maestro, surgió el problema debido a que cuando el sistema de control

encendió la lámpara el módulo maestro presentaba un bloqueo provocando que la rutina: de autorestablecimiento entrara en acci6n constantemente evitando que el Maestro no operara correctamente.

Entonces se llegó a la conclusión que el problema era en el protocolo de comuhicación de los módulos; se penso que el problema podia radicar en los bits de sincronía, por que a lo mejor no eran los suficientes para realizar la sincronía después de encender la lámpara, por lo que se le agregaron otros bit.

" 'I Posteriormente se volvió a repetir la prueba, presentándose el mismo problema. Lo que no se explicaba, es que cuando el sistema lámpara-balastro elect&nico se conectaba directamente a la linea de alimentación por la cual se enviapan los datos, el sistema maestro-esclavo operaba perfectamente sin afectar el ruido que el balastro inyectaba a la líneas de alimentación (127 Vca).

Analizando el problema mas detalladamente se llego a la conclusión que al tener conectado el sistema lámpara-balastro directamente a las lineas de suministro eléctrico, no se provocaba inestabilidad debido a que el ruido que introducía la

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lámpara no lestaba directamente acoplado al circuito de control Si no con las líneas de potencia entonces no había manera de que el ruido se filtrara hacia el Sistema de control,'&1 menos que las fuentes de alimentación de los sistemas de control maestro-esclavo no estuvieran bien filtradas, &te seria el único camino para introducir rÚido a los sistemas de control de cada módulo.

Sin embargo cuando se conectaba el relevador de estado sólido de 3 A con el sistema Iámpara-balastro sin filtro , el sistema se bloqueaba como consecuencia del bloqueo del relevador, debido al ruido, ya que el relevador electrónico contienen un tiristor optoacoplado ópticamente con el sistema digital, entonces al encenddr la lámpara se introducía ruido al tiristor provocando su saturación, evitando la conmutación de la lámpara, además de que el relev.qdor servía como medio para que el ruido y los transitorios en las líneas de alimentación se reflejaran hacia el circuito de control , contribuyendo con el bloqueo del sistema de control.

Entonces se decidió cambiar los relevadores electrónicos de estado sólido de 3 A (comdatible con el voltaje lTL), por uno electromagnético de 10 A, se tomo esta decisión ya que los contactos del relevador son cerrados solo por la bobina y no presenta un camino directo con el sistema digital, por otra parte, no se tienen problemas de saturación como en el caso del tiristor. Nuevamente se volvió a realizar; la prueba; en efecto esta vez ya no ocurrió el bloqueo del Maestro y el sistema funcionó correctamente.

1 11

Es necesario comentar que si las fuentes de alimentación no tienen un buen filtrado,: también se ven afectadas por el ruido impulsivo lo que a su vez provocara inestabilidad en el sistema de control.

II

,

6.1.6 PRUEBA 6 : 11

11

RESPUESTA DEL SENSOR DE OCUPACIÓN

Con esta prueba se comprobó la sensibilidad de detección de los sensores adquiridos.

La selección del sensor de presencia fue sumamente sencilla ya que la prueba consistió en colocar los dos sensores (de ultrasonido y microondas) con los que contamos. en una dirección determinada de modo que no detectaran presencia, y a continuación se realizó un movimiento, para simular presencia.

ElI funcionamiento del sensor basado en microondas opera bajo el principio de una antena de radio; es decir, cuando se tiene un radio sintonizado en una estación! y en ese preciso momento pasara una persona cerca del radio se provoca una interferencia; para el sensor esta interferencia le indica que existe presencia

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11

5-8

capitulo 6 - PNebaS Y Reru)tedos

I $5

esta prueba el Sensor de ultrasonido fue mas rápido en responder Y el que mejor sen&bilidad presentó por que detectaba PreSenCia hasta una distancia mbima de 8 mts , en cuanto al sensor basado en microondas en Ocasim?s detect&? presencia y en otras no, además de que la sensibilidad no era buena Ya que detectaba presencia solo cuando el movimiento era realizado a corta distancia (escaso 1 m).

5.1.6 PRUEBA 8 :

SECUENCIA DE OPERACIÓN DE ENCENDlDOlAPAGADO DE LAS LhlPARAS

La prueba consistió en verificar la secuencia de encendido de la lámpara bajo diferentes niveles de luz.

Para realizar esto primero se fueron cerrando las persianas lentamente hasta estar Cerradas completamente, y luego en forma inversa, como se esperaba las lámparas respondieron en forma eficaz a los cambios de iluminación en el recinto! de nuevo se repitió la prueba solo que esta vez el cierre de las persianas se hizo en forma brusca para observar si este cambio brusco no afectaba la respuesta de la fotocelda debido al efecto de la historia de la luz.

La1 prueba fue superada, comprobándose también que la velocidad de respuesta de encendido de las lámpara, era aceptable. Cabe mencionar que este cambio brusco en condiciones reales nunca llegará a pasar , ya que la variación de la iluminación natural en el transcurso del día es lento.

Otras de las pruebas fue la de tener el sistema de control maestroesclavo funcionando durante varios días, con el fin de observar su comportamiento con las variaciones de carga que se presentan a diferentes horas del dia.

, Esta prueba resulto satisfactoria ya que no se presentó ninguna inestabilidad en ninguno de los dos módulos de control.

5.1.7 PRUEBA 7 : I , I,

,i

i L a última prueba consistió en verificar el funcionamiento del software para el control de la histéresis.

Esto se hizo con la variación de diferentes niveles de iluminación, para observar, si la lámpara sufría de encendidosíapagados continuos los cuales se daban como consecuencia de' los cambios de 'iluminación cuando la fotocelda detectaba oscuridad Ó claridad.

VERIFICACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA HISTÉRESIS

I 5-9

, I, . .

1 Capitulo 6 - PNebS V Resunados

I :,

AI ,principio se tuvieron pequeiios problemas de encendido/apagado de la lámpara esto fue a m o resultado de una mala selección en los umbrales de iluminación seleccionados, esto se resolvió escogiendo los umbrales de iluminación adecuadod, comprobándose que la estrategia para evitar la histéresis funcionaba perfectamente.

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5-10

Conclusiones ~

1 I1

!La utilización de la luz natural, a partir de sus componentes directa y difusa, en los edificios, es una de'las mejores alternativas para lograr el ahorro de energía, y el mejdramiento de las dondiciones ambientales.

El consumo de energia a consecuencia de la iluminación en edificios, esta en función de dos variables:

/

energia (Kwh)= Potencia (Kw) x tiempo (h) ' lj ;El propósito del control de la iluminación es que permita al edificio tener el

control :ldinámico sobre .los dos ' parámetros mencionados, para satisfacer las necesidades de iluminación y de los ocupantes del edificio con un mínimo gasto de energía!

' Ell trabajo de tesis desarrollado cumplió con los objetivos y alcances propüestos al inicio, obteniéndose.un prototipo de red de control, 'para llevar a cabo las funciones de encendido y apagado automático de las lámparas en función de la i/uminaciÓn existente en el área controlada, utilizando como medio de comu'nicación entre los módulos maestro-esclavo, las líneas de alimentación om1 o e l k t r i d (127 Vca, 60 Hz) del edificio.

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1 ,, Conclusiones

1 ,

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€1 tiabajo de tesis realizado representa en CENIDET. el inicio de una línea de investiga&$ en estrategias e implantación de equipos Para el ahorro de energía empleando ;ensores. para realizar el control automático de la iluminación en 10s edificios. .

EI +.tema de control completo consta de dos tarjetas, una que tiene las funciones principales (Maestra) y otra que supervisa la respuesta de 10s ores de ilumin&jón y ocupación (Esclava). El sistema de control desarrollado consta de las siguientes funciones:

Encendido manual de las lámparas con tiempo de autorestablecimiento a modo automático Control automático del encendido y apagado de las lámparas SelecciGn del nivel de iluminación Control &e histéresis Retardoide tiempo de encendido de las lámparas después de que no se detecta presencia Retranshisión del mensaje en caso de ser alterado por el medio de comunicación Detección de error en el mensaje ' /I

El sistema .de red de control desarrollado funciona perfectamente bajo condiciones normales de operación ofreciendo los siguientes beneficios:

Proporciona un ahorro en cuanto. al tendido de cableado en el edificio al utilizar las líneas de alimentación eléctrica como medio de comunicación empleando la técnica,,por portadora de línea de alimentación (Power Line Carrier). Además se puede tener comunicación en cualquier lugar del edificio en donde haya un contacto. El sistema es aplicable en lugares donde las modificaciones de las lámparas sean mínimas con el fin de tener una buena distribución de iluminación. Siendo'! mucho mejor en la edificación de nuevos edificios ya que podría realizarce la distribución adecuada de las lámparas para obtener una buena iluminabón en el área controlada.

El sistema de control trabajará correctamente a través de las líneas de potencia, mientras no se llegue a la frecuencia de operación de los transceptores por portadora de línea de alimentación.

AI emplear en forma conjunta la operación de los sensores de iluminación y ocupación se obtiene un mayor ahorro de energía eléctrica en el área controlada, Ya que se controlan dos aspectos ocupación e iluminación. Siendo de suma importancia la colocación de los sensores en el recinto ya que de ellos depende el tenel un mayor o menor ahorro de energía. El número de sensores empleados estará len función del tamaño del área a controlar o número de recintos, en donde para cada recinto es necesario colocar los sensores en una buena posición ya

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, ' , f .. . . Conclusiones

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que la construcción arquitectónica del edificio proporcionará mayor iluminación natural en algunas partes y menor en otras; de .aqui la importancia de .la colowcibn de los sensores.

Por,,lo tanto el consumo de energia eléctrica, en un-edificio de genero comercial o de oficinas, es muy variable, ya.que depende de varios factores, tales como: 1

Condkiones climatológicas Estación del año Ubicación del edificio . .

Tamañ0.y número de ventanas . .

Tipo de,vidrio utilizado en las ventanas Existenha de tragaluz Existencia de cortinas o persianas Hábitos de uso üsuarids

1

La comunicación entre los módulos maestro-esclavo es bastante confiable debido a la robustez que presenta protocolo de comunicación. Este protocolo para el sistema desarrollado es bueno, pero si'se desea tener un sistema que opere con un protocolo existente en el mercado y se quiera abarcar otros productos que operen bajo un protocolo el protocolo recomendado sería el CEBus, ya que es el que mas se asemeja al desarrollado en este trabajo de tesis, con el fin de tener un siitema abierto a otros componentes que operen con el protocolo men'cionado. It

Se ltiene el control del encendido y apagado de las lámparas, no el desvanecimiento de la intensidad luminosa de ellas, 'por lo tanto para tener buena! distribución de la iluminación es ne.cesario tener una buena ubicación de las lámparas en toda el área controlada. El control de iluminación de las lámparas se realizó de esta manera por que no tiene un balastro que acepte la variación automstica de la intensidad luminosa en forma proporcional a la iluminación del área controlada.

Se 'determinó la respuesta dinámica de un sistema de red piloto con tres lámparas, evitándose el problema del encendido y apagado cíclico (histéresis + historia), obteniéndose un prototipo con un mínimo de componentes que proporciona el control de .iluminación, mediante la operación conjunta de sensdres de iluminación y ocupación de costo relativamente bajo; además de que se puede controlar la iluminación de varios recintos, con el sistema desarrollado.

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Concluslones

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' I :

Propuesta para futuros trabajos ~

.. .!!

Se propone realizar pruebas empleando sensores de iluminación calibrados, para obtener umbrales de encendido de las lámparas adecuados a la necesidad del área,lcontrolada, con el fin de tener un mejor control de la cantidad de iluminación que esta .proporcionando el sistema de control y poder también cumplir con los estáhdares de iluminación con los que cuenta cada area (salones de clases, estudios, oficinas etc.).

Se recomienda que el protocolo que se tiene en el sistema de control realizado, opeFe completamente bajo el protocolo CEBus ya que es al que mas se apega, es;to,,solo si, se desea tener un sistema abierto para poder realizar la conexión de diferentes equipos que operen bajo este protocolo.

Realizar una inierfaz de control automático para realizar el desvanecimiento de la intekidad luminosa a un balastro con regulación de iluminación manual (dimmer), para obtener el desarrollo de. un control proporcional (iluminación natural - iluminación de lámparas). Esto con el fin de manipular todas las lámparas en pequeños porcentajes de luz de acuerdo a la iluminación que se necesite en el área controlada para mantener durante todo el día una iluminación constante de acuerdo a los estándares de iluminación de cada área.

Realizar pruebas de la red de control, introduciendo ruido en alta frecuencia medido, para observar hasta que grado de ruido se mantiene la estabilidad del sistkma de control desarrollado.

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I I/

, i

xv

5 Referencias

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! :!

'i a / I

xx

'I

. . .

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OPTOELECTRONIC DEVICE DATA, Aplicaciones e información

. . 1990. ; ,

1;

. .

. .

xxi ~i

i Apéndices

Apéndice A

BI-LINE TM

.: * LMI 893 Carrier-Current Transceiver

Descrip&n General

El sistema portador por linea de corriente usa la potencia principal para transferir información (entre localizaciones remotas. Este circuito integrado ( c i ) bipolar de portadora,por línea de corriente realiza una interfase con las líneas de potencia, teniendo una comunicación serial "half-duplex'' (bidireccional). En la transmisión, una portabdra sinusoidal es modulada en FSK y montada en la línea de,potencia por el c.i. .que es bastante robusto. En la recepción, un demodulador basado en un PLL , combinado con un filtro de ruido impulsivo que proporciona un rango máximo, Un sistema1 completo puede consistir' de el LM1893, un controlador COPSTM y componentes discretos.

Características

Modulación FSK resistente al ruido B Filtro de ruido impulsivo seleccionable m Velocidad de transmisión de datos hasta 4.8 Kbaud

Permite la secuencia de datos de 1's y O's Tiene yn' impulsor de línea sinusoidal para baja RFI (Interferencia de Radio Frecuencia)

m Potencia'de salida fácilmente amplificada hasta I O veces del valor nominal Selección de la frecuencia portadora entre 50 y 300 KHz Compatit$e con niveles digitales TTL y MOS

m Voltaje regulado para la lógica de potencia Todos los impulsores son convencionales para las líneas de alimentación de C.A.

1 1 '!

*El Tmnsceptor por Potiadon de Conknte (Carder-Cunent Tnmceiver) eJ tambi6n llamado tnnsceptor por Portadora de

Llnea de Alidentaoión 1 , (P-r Line Carder) A-1

wational Semiconductor

ADC0831 Convertidor AID de EIS serial de 8 bits con opción' dara multiplexor

Descri@ón ,I General

La series' ADC0831 son convertidores AID de aproximaciones sucesivas con EIS serial y ponfigurable como multiplexor con hasta 8 canales. La EIS serial es ,configuradd ara cumplir con el estándar de intercambio de datos serial NSC MICROWIRE para realizar una fácil interfaz con la familia de procesadores COPSTM y pueda también interfasarse con los registros de corrimiento estándar o con microprocesadores. La entrada 'de voltaje analógico diferencial permite incrementar el rechazo en modo común ylcompensa el cero analógico del valor del voltaje de entrada. Además el voltaje de ieferencia de entrada puede ser ajustado para permitir la codificación de algún voltaje analógico mas pequeño para un alcance de resolución completa de 8 bits. ; j

Características 11 /I

rn Fácil interfase a todos los microprocesadores rn Con un regulador en paralelo permite la operación con voltaje de suministro mas

Rango de voltaje de entrada de O a 5 volts con un suministro de voltaje de 5 volts Operación remota con la unión de datos digitales en forma serial

rn No requiere ajuste de escala completa o cero

Especificaciones de Referencia

rn Resolución 8bit rn Error sin ajuste total

rn TiemPo :tie conversión

Yt.4

' :

altos. ~ !!

Compatible con voltajes EIS T U M O S

+ % L S B y * l LSB rn Suministro único 5 vca

Potencia baja 15 mW 32 ps

I f A-2

SEIKO, INSTRUMENTS Modulo de Pantalla de Cristal Líquido (LCD) M1632, , . .

El M1632 es una pantalla de cristal líquido de matriz de puntos de bajo consumo de potencia. .E¡ controlador tiene. un ge-rador de caracteres~ ROMIRAM, y exposición de'datos, en RAM. Todas las funciones de la pantalla 'son controladas por

. . . .'.

'1 , .

. . instruccic&s. . .

Características 1 ,I

m . 16 caracteres, dos renglones con matrices de puntos de 5x7 mas el cursor

Generador de caracteres RAM para 8 tipos .de caracteres (generados por

m Voltaje de suministro de 5 volts

Generador de caracteres ROM para 192 tipos de caracteres

programa)

I :I

La fotocelda VT50A663 es de propósito general es de material de sulfato de .cadmio con una respuesta' espectral aproximada al ojo humano. Estas características incluyen un^ buen coeficiente de temperatura y un tiempo de respuesta kpido, especialmente a muy bajos niveles de luz. Las celdas de este tipo tienen relativamente bajo factor de historia de luz. Este tipo de fotocelda es consideiado como material tipo " O .

rn El pico de respuesta espectral .es a 565 nm Encapshado metálico para protección del medio ambiente

i II A-3

11 '. Ap4ndlce A . ..

. . . 1 , , .

i; I! S H A R P

'FOTOTRANSISTOR q .ji PT380F ALTA SENSIBILIDAD

. . Características

:I 11

Alta sensibilidad. Encapsulado compacto de resina de 03mm

# I . ' , . w Aceptación intermedia I Operación en el espectro infrarrojo

DALLAS DS1225Y SRAM No volátil de 64 K

~ ~~

Descrip;ción

El DS122.5Y es una memoria,SRAM no volátil . Cada SRAM contiene-una fuente de energia be' litio y circuiteria de control que constantemente monitorea el Vcc. Cuando el suministro falla la fuente de energía de litio automáticamente conmuta' a encendido y la protección de escritura es habilitada .incondicionalmente para prevenirde he los datos falsos.

.Características

. .

1 1)

Retención de datos en ausencia de Vd Los datos son auténticamente protegidos durante la perdida de potencia

rn Ciclos de escritura sin.limites I CMOS de baja potencia

Retención de datos por un tiempo de 10 años I El tiempi; de escritura es igual al tiempo de lectura

Sustituye directamente una RAM estática volátil o una EEPROM de 8K x 8 I' I

RELEVADORES COMPACTOS DE POTENCIA

Relevadores para tecnología

' I

Arornat avanzad a

' I

Dispon'ible en tres tipos: 3 A, 5 A, y 10 A Espacio de montaje pequeño Alta rekihencia dialectrica para protección de transitorios JY puede resistir a sobrevoltaje de 5000 V en k(lx40) psec la bobina y el contacto. Todoc'llok materiales plásticos: flarna UL Reconocido ULlCSA

t

Apéndice B

. . i/ I.

. .

UTILii&ióN DE u Luz DIRECTA Y DIFUSA, PARAEL AHORRO DE ENERGíA

Una oportunidad de ahOrro.de energía en los edificios, desde el' punto de vista de ilum'inación es, la utilización de la componente directa de la radiación.solar, luz de día! que actúa como una intensa fuente de luz y puede.proporcionar una iluminancia exterior en un'plano horizontal de 50,000 lux (para un cielo azul con menos del 30% de nubosidad), a 100,000 lux (para un cielo azul despejado con menos d d 15% de nubosidad), en comparación con la componente luminica difusa, que preseha un rango de 5,000 lux (para un cielo cubierto con 100 % de nubosidad y. sol no visible), a 40, O00 lux (para un cielo parcialmente nublado con una nubosidad del 30 al 70%).

En,un día típicamente soleado, enormes cantidades de luz natural impactan . en las superficies edificatorias. Por ejemplo, en un espacio de oficinas convencional de 400 mf ,$on un nivel de iluminancia requerido de 500 lux, los 200,000 lumens de flujo luminoso requeridos son, por regla general, suministrados completamente por luz eléctrica, ignorando .el enorme'potencial de la luz solar directa disponible, que en un típico día soleado puede proporcionar un promedio de 50,000 lux en una superficie Gertical. Es decir, en tan' solo 4 mZ de superficie vertical de' una envolvenie edificatoria estarían incidiendo 200, O00 lumens. Por lo 'tanto'es evidente que en la 'lactualidad 'no se esta aprovechando el vasto potencial de luz 'solar disponible. '

El;:atributo de colimación de la luz solar directa y su mayor contenido de energia iiinjinosa por.unidad de área, en comparación con la luz difusa proveniente de los ' cielos despejados o nublados (de cuatro a siete veces mayor, respectiiamente), son las principales ventajas de usar dicha componente solar directa para iluminación de edificios. por lo tanto, se pueden requerir .menos áreas de aberturas (ventanas) para proporcionar la misma cantidad de iluminancia interior.

Esta característica de la luz solar directa pueden ser particular,mente útil en edificios (oplizados en regiones con cielos predominantemente despejados, ya que aberturas de menor superficie resultarían en menores ganancias de calor exterior,

il

Ir, .I !!

'

11

11 '1

B-1

'I ,

Apéndice B I /

que es &ondición deseable en éste tipo de climas. Así, el USO de !a luz Solar directa en, lugares bajo cielos típicamente despejados pueden' ser una estrategia promisoria para reducir el consumo de energía debido a la utilización intensiva de sistemas '& alumbrado Y aire acondicionado (Carga térmica de enfriamiento, ocasionada por el USO del alumbrado y ganancias internas casuales, es decir, de ocupantes), ;siempre y cuando la luz que llega al interior del .espacio sea distribuida efectivamente y totalmente utilizada para propósitos de iluminación.

El potencial de ahorro de energía al usar la luz solar directa como fuente de iluminación ,,en los espacios interiores pueden ser particularmente significativo en edificios n$-domésticos.

Por io tanto, la componente directa de la radiación solar pueden ser utilizada como la;; ppcipal fuente de iluminación en edificios comerciales; incluyendo aquellas zonas de los espacios interiores donde normalmente la provisión de luz natural por 'métodos convencionales no es factible, es decir, en las zonas centrales de una edificación, distante de las aberturas de iluminación. En el. manejo de ésta alternativa, &e pueden incluir los mecanismos de reflexión, refracción y transmisión luminica.'; Este enfoque también considera la contribución de las componentes de la luz difusa del cielo y la reflejada de superficies circundantes. Por lo tanto, el objetivo principal 'bel uso de la luz solar directa en las edificaciones para fines, de ahorro de energía, reducción de la contaminación y confort ambiental de los ocupantes, es el controlar~ly Pistribuir dicha componente de la radiación solar de forma tal que pueda ser utilizada wmo un iluminante interior efectivo y grato a los sentidos del usuario, a través de un balance óptimo de la cantidad y calidad de la luz natural y proporcionar niveles lumínicos 'adecuados, aún en aquellas zonas localizadas a mayor profundidab en el ecpacio interior, es decir, distantes de las aberturas.

La integración de la. luz natural con los sistemas de iluminación en los edificios,i debe implementarse a través de un cuidadoso análisis .de las característi'cas climáticas'del lugar, de los patrones de uso de los espacios, de las actividades especificas de' los usuaríos, de la disponibilidad de los recursos material+:, disponibles y de la normatividad establecida. Es importante que, inicialmente, se obtenga el máximo provecho posible de la luz natural, tanto la directa como la difusa.

ET la integración de la luz natural con los sistemas de iluminación y sus .componentes, es muy importante incluir los equipos .de control apropiados para llevar a' cabo la identificación de las condicionantes ambientales lumínicas existentes liy realizar una óptima selectividad del funcionamiento de ambas partes: luz natura'l y luz eléctrica para la iluminación de los diversos espacios. Es

' conveniente dar al usuario la alternativa de modo manual 'en la operación de los equipos,Ide control utilizados.

Después de lo comentado anteriormente de que tan importante es aprovechar la energía solar para la iluminación de los edificios, en las figuras siguientesice muestra la trayectoria que sigue el sol durante el transcurso del día, además'de que también puede verse la irradiación que se emite; cada gráfica

'I . ,

8-2

AD&ldICe I

representa a un día del año en una estaci6n del año diferente. En la figura B.1, 6.2, 6.3 y 6.4'pbede observarse la gráfica para cada una de las estaciones del año como son: primavera, verano, otoño e invierno respectivamente.

-CURVANORM*L -CURVA U U S T M A I 11

Figura B.l lrradiancia de un día despejado de primavera '. ' " . . . ! j I!

! li'

!I /j 7m t /

, .. TIEMPO

-CURVANORMIL -CURVA UUSTAQA

I Figura 8.2 lrradiancia de un día despejado de verano

8-3

: . Ap6ndlCe B

!I !I

Curvas1 características de los valores instantáneos de la irradiancia solar global en un dia despejado. El área bajo la curva da el valor integral de la irradiación global durante el periodo considerado. '1 11

aw ,

4 , A Y Y 1

Figura 6.3 lrradiancia en un día parcialmente despejado de otoño

TlEMW

-CURVA NORMAL - C"R"IU"STrn* I

Figura 8.4 lrradiancia de un día despejado de invierno

I Apbndlce B

t

&a gráfica puede observarse como varia la radiación para cada una de las estaciones del año, cabe, mencionar que cada gráfica fue obtenida en días soleados en lTemixco. Mor" y por algunos momentos se producía Variaciones de la

1 1 irradiación como consecuencia del paso de las nubes, entonces para'dar una Curva mas exacta de la irradiación se evitaron los nublamientos en cada gráfica aplicando a cada una de ellas un polinomio de sexto grado para ajustar la curva real.

Conociendo ¡as curvas.de radiación durante el transcurso de un año podría determinarse el ahorro de energía.de un año mediante.la obtención del número de 'horas efedtidas diarias ya que para diferentes años se tendrán aproximadamente la misma irradiación, tomando encuenta que la translación de la tierra será la misma y por lo tanto el comportamiento del sol también será el mismo, esto será valido solo para los días soleados sin tomar encuenta los nublados o cambios climatológicos.

El ahorro de energía de un día, se puede determinar utilizando las gráficas de irradiación de u n día, integrando 'la curva de irradiación es decir, en la conversión fotovoltáica de'la radiación solar, se recurre con frecuencia al concepto de "hoias- pico" (figura 8 3 , denotando este término una simplificación gráfica de la totalización de la energía solar durante un día. En lugar de cuantificar el area bajo'la curva característica del soleamiento diario, ésta se rewnfigura a un rectángulo que tenga como)altura limite (pico), la potencia equivalente a 1 Kwatüm' y por base el periodo que resulte en horas y fracciones. El producto de la potencia por el tiempo dá el númerjo de Kwatt-hora disponibles en el.sitio. Así las "horas-pico", representan el número de horas en las que la potencia solar se puede considerar como un valor teórico constante de 1 Kwatt.

Aplicando el concepto anterior a la figura B.1 de puede obtener el numero de horas efectivas de iluminación solar durante un día, por lo tanto conociendo las curvas de un año, la latitud en la que se encuentre la población puede realizarce un programa para conocer el ahorro de energía de un día, un año o del tiempo que se desee.

L a c h a superior de la figura B.5a muestra la distribución de la irradiancia en Temixco ,Mor., a lo largo de. un día; el area bajo la curva (que representa la irradiaci?)# se obtiene integrando la irradiancia en el tiempo (desde que sale hasta que se pone el sol). En la gráfica inferior de la figura B.5b, la curva se ha reformado en rectángulo cuya amplitud es de 1 Kw/m' , y comprendiendo la misma área (la

radiación). El realizar esta reconfiguración permite medir el numero de horas en que la irradiancia presentaría un valor "pico" de 1 Kw/m2,

I!

i

-CURVA NORMAL -CURVA AJUSTADA 1 6

11 '

il 'I

'1 ~j

81 . ,

'I

' I '!

Figura 8.5 Concepto de horas pico para determinar el número de horasefectivas 11 :I

Apéndice C

MODELO,^ DE REFERENCIA DE INTERCONEXION 'DE SISTEMAS ABIERTOS (OSI).

Dd 18s muchos estandares y modelos que han sido propuestos para,redes de .datos, la. Organización Internacional de Estandares de lnterconexion de Sistemas AbiertosI¡(lSO, OSI) es quiza el mas robusto, OS1 es un modelo de referencia de siete cap.as para redes de computadoras; pero es aplicable a algun tipo de red en el cual el procesamiento de elementos se comunican sobre una ruta común. ' '

OSifcomo sus siglas lo describen, precisamente se refiere a la conexión de sistemas heterogéneos, es decir, a sistemas dispuestos a establecer comunicación con otro4 distintos.

El modelo OS1 (figura C.l) como se menciono anteriormente.'tiene siete capas. Los principios aplicados para el establecimiento de siete capas fueron los siguientes?

1. Una capa se creará en situaciones donde se necesite un nivel' diferente de

2. Cada;,capa deberá efectuar una función bien definida. 3. La función que realizará cada capa debera celeccionarce con la intensión de

definir protocolos normalizados internacionalmente. 4. Los .hmites de las capas deberán seleccionarse tomando encuenta la,

minimización del flujo de información a traves de las interfaces. 5. El'nú,mero de capas deberá ser lo suficientemente grande para que funciones

,diferenies, no tengan que ponerse juntas en la misma capa y, por.otra parte, también deberá ser lo suficientemente pequeño para que su arquitectura no llegue 4 ser difícil de manejar.

Obsérvese que el modelo OSI, por sí mismo, no es una arquitectura de red, dado q d n o especifica, en forma exacta, los servicios y protocolos que se utilizan en cada una de las capas. Solo indica lo que cada capa deberá hacer. Sin embargo, la ISO'I también ha generado normas para todas las capas, aunque éstas, estrictamente hablando, no forman parte del modelo. A continuación se describe cada una,de las capas que forman el modelo OS1 :

. .

abstracción.

. .

- . j I!

I c-I

. . .Y,' . -.-.- !I . ..

Apbdlce C ?$ 'I

'1 I.,

! ' Nombre de 18

unidad . ~~~

interiarnbiada

Sesibn SPDU

Protocolo de prewniaci6n

Inteiiase

3 Paquete

Trama

Bit . . Hostal A ' Hostal B

Protowlo IMP - Capa de red del hostal ' f : Protocolo IMP -Capa de.enlace del hostal :

Protowlo IMP - Capa f is ib del hostal

Figura C.1 Modelo de referencia OS1

i l i

Capa física : Se ocupa de la transmisión de. bits 'a lo 'largo de' un canal .de comunicac(ón. Su diserio debe .asegurar que cuando un extremo envía un bit con valor 1, éste se reciba exactamente como un bit con ese valor.en el otro extremo, y no como un bit de valor O. Los problemas de diseño a considerar aquí son los aspectos 'mecánicos, eléctricos, de procedimiento de interfase y el medio transmisión físico, que se encuentra bajo la capa física.

Capa de enlace : La tarea primordial de ésta capa consiste en, a partir de un medio de \ransmisión común y corriente, transformarlo en una línea sin errores de transmisión para la capa de red. Como la capa física básicamente acepta y transmite un flujo de bits sin tener encuenta su significado o estructura, recae sobre la capa !de enlace la creación o reconocimiento de los limites de la.trama. Esto

, puede llevarse a cabo mediante la inclusión de un patrón de bits especial al inicio y al térmirpde la trama. Si esos patrones de bits pueden aparecer entre los datos, deberá tenerse un cuidado especial para evitar cualquier confusión al respecto.

Capa de red : Se ocupa del control de la ocupación de la subred. Un punto de suma importancia en su diseño, es la determinación sobre como.encaminar los

11 I'

I I.

' i I;

c-2 I

'1 I,

paquetes'idel origen al destino. El control de congestión y la responsabilidad, para resolver problemas de interconexión de redes heterogéneas recaerá en ésta capa.

'I II Capa de:transporte : La función principal de ésta capa consiste en aceptar los datos de la'icapa de sesiÓn,'dividirlos, siempre que sea necesario, en unidades más pequeñas, 'pasarlos a la capa de red y asegurar que todos ellos lleguen correctamente al otro extremo. Además, todo este trabajo se debe hacer de manera eficiente,'de tal forma que aísle la capa de sesión de los cambios inevitables a los que estár!sujeta la tecnología del hardware.

la capa de transporte se necesita para hacer el trabajo de multiplexión transparente a la capa de sesión, además determina que tipo de servicio debe dar a .la capa de sesión, y en Último término a los usuarios de la red.

Capa de sesión : ' permite que los usuarios de diferentes máquinas puedan estableck~/sesiones entre ellos. A traves de una sesión se puede llevar a cabo un transporte de datos ordinario, tal' y como lo hace la capa de transporte, pero mejorantio! 10s servicios que está proporciona y que .se utilizan en algunas aplicaciones. Una sesión podría permitir al usuario acceder a un sistema de tiempo compartid6 a distancia, o transferir un archivo entre dos maquinas. Uno de los servicios de la capa de sesión consiste en gestionar el control del diálogo as¡ como la administración del testigo y la sincronización.

Capa de presentación : Realiza ciertas funciones que se necesitan bastante a menudo como para buscar una solución general para ellas, más que dejar que cada uno de'lids usuarios resuelva los problemas. En particular y, a diferencia de las capas inferiores, que únicamente están interesadas en el movimiento fiable de bits de un idgar a otro, la capa de presentación se ocupa de los aspectos de sintaxis y semántica de la información que se transmite.

la &pa de .presentación está relacionada támbien con otros 'aspectos de representación de la información. Por ejemplo, la compresión de datos se puede utilizar aquí para reducir el número de bits que tiene que transmitirse, .y el concepto de criptografía se'necesita utilizar frecuentemente por razones de privacidad y de autentificación.

It :i

Capa kel aplicación : Contiene una variedad de protocolos 'que se necesitan frecuentemente, con el fin de realizar una compatibilidad de programas de software para que' trabaje en diferentes terminales. Una forma de resolver este problema consiste en definir un terminal virtual de red abstracto, con el que los editores y otros programas pueden ser escritos para trabajar con él. El software completo de terminal virtual se encuentra en la capa de aplicación. Otra función que realiza esta capa es ih transferencia de archivos.

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I " c-3