Implementación de circuitos de control aplicados en una arquitectura domótica de tipo distribuida

101 Pages·2012·4.56 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“Implementación de un prototipo de arquitectura domótica mixta usando
comunicación ZigBee”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

P R E S E N T A N

Flores Arriaga Montserrat
Sánchez Álvarez Carlos Alberto

Asesor:

M. en C. Armando Martínez Ríos

MÈXICO, D.F. 2012

AGRADECIMIENTOS

A mi madre porque creíste en mí, dándome ejemplos de
superación y entrega, hoy puedo ver alcanzada mi meta, ya que
siempre estuviste impulsándome en los momentos difíciles de mi
carrera, te agradezco a ti mama por siempre estar a mi lado.

A Denisse con mucho cariño por los momentos agradables que
pasamos, por tu apoyo y tu confianza que siempre
compartiremos.

Agradezco a todas aquellas personas que siempre me tendieron
la mano y me dieron su sincera amistad en muchos momentos de
mi vida.

SANCHEZ ALVAREZ CARLOS ALBERTO
AGRADECIMIENTOS

Mi agradecimiento es para todos los miembros de mi familia : mis
padres, mis hermanos, mi sobrino y mis abuelitos, que siempre
han aportado con su sabiduría, amor comprensión, cariño, fuerza
y sobre todo siempre han sabido darme el aliento necesario para
dar cada paso y cosechar el éxito de mi vida.

Con ustedes inicie un recorrido lleno de alegrías, enojos, locuras,
tristezas el cual les agradezco por siempre estar a mi lado
escuchándome, apoyándome luchando ante cualquier adversidad y
hoy gracias a eso puedo cosechar uno de mis grandes proyectos
finalizados.

FLORES ARRIAGA MONTSERRAT
Contenido
Índice de figuras ..................................................................................................................................................... I
Índice de tablas ..................................................................................................................................................... II
Objetivo general ................................................................................................................................................... III
Objetivos particulares ......................................................................................................................................... III
Justificación.......................................................................................................................................................... IV
Introducción ........................................................................................................................................................... V
Antecedentes ........................................................................................................................................................ VI
Estado del Arte ................................................................................................................................................. VIII
Capítulo I Conceptos relacionados con domótica. .......................................................................... - 1 -
1.1.- Definición de domótica.............................................................................................................................. - 2 -
1.2 Ventajas de la domótica .............................................................................................................................. - 3 -
1.3 Arquitectura domótica ................................................................................................................................ - 4 -
1.3.1 Arquitectura centralizada ..................................................................................................................................... - 4 -
1.3.2 Arquitectura descentralizada ................................................................................................................................ - 5 -
1.3.3 Arquitectura distribuida ....................................................................................................................................... - 5 -
1.3.4 Arquitectura híbrida / mixta ................................................................................................................................. - 6 -
1.4 Medios de comunicación ............................................................................................................................. - 7 -
1.4.1 Líneas de distribución de energía eléctrica. ......................................................................................................... - 7 -
1.4.2 Soportes metálicos .............................................................................................................................................. - 7 -
1.4.3 Fibra óptica .......................................................................................................................................................... - 8 -
1.4.4 Inalámbricos ........................................................................................................................................................ - 8 -
1.5 Sensores ........................................................................................................................................................ - 9 -
1.5.1 Sensores utilizados en domótica ........................................................................................................................ - 11 -
1.5.1.1 Sensores de temperatura. ................................................................................................................................ - 12 -
1.5.1.2 Sensor de presencia ......................................................................................................................................... - 13 -
1.5.1.3 Sensor de luminosidad .................................................................................................................................... - 14 -
1.6 Microcontroladores ................................................................................................................................... - 15 -
1.6.1 Gama mini ......................................................................................................................................................... - 16 -
1.6.2 Gama baja o básica ............................................................................................................................................ - 17 -
1.6.3 Gama media ....................................................................................................................................................... - 18 -
1.6.4 Gama alta ........................................................................................................................................................... - 19 -
1.6.5 Características Principales de la familia 16f8XXX ........................................................................................... - 20 -
1.6.6 Arquitectura interna de un microcontrolador ..................................................................................................... - 21 -
Capítulo II Comunicación.................................................................................................................. - 22 -
2.1 Introducción a la comunicación inalámbrica ......................................................................................... - 23 -
2.2 Orígenes de ZigBee .................................................................................................................................... - 24 -
2.3 Aplicaciones ............................................................................................................................................... - 25 -
2.4 Características ........................................................................................................................................... - 26 -
2.5 ¿Por qué ZigBee y no otro medio inalámbrico? ..................................................................................... - 27 -
2.6 Arquitectura del protocolo ZigBee .......................................................................................................... - 28 -
2.6.1 Estándar IEEE 802.15.4 .................................................................................................................................... - 29 -
2.7 Tipos de dispositivos Zigbee ..................................................................................................................... - 30 -
2.8 Conexión Básica ........................................................................................................................................ - 31 -
Capítulo III Diseño de Hardware ....................................................................................................... - 36 -
3.1 Sistema Completo ..................................................................................................................................... - 37 -
3.2 Descripción de los componentes .............................................................................................................. - 38 -
3.2.1 Fototransistor ..................................................................................................................................................... - 38 -
3.2.2 Relevador ........................................................................................................................................................... - 38 -
3.2.3 Circuito Integrado LM35 ................................................................................................................................... - 39 -
3.2.4 LCD LM016L .................................................................................................................................................... - 40 -
3.2.5 Transistor 2N3904 ............................................................................................................................................. - 40 -
3.2.6 Teclado matricial (4X4) ..................................................................................................................................... - 41 -
3.2.7 Zumbador ........................................................................................................................................................... - 41 -
3.3 Selección del microcontrolador. .............................................................................................................. - 42 -
3.3.1 Puertos del Microcontrolador 16F877A ........................................................................................................... - 45 -
3.3.2 Selección del Lenguaje de programación del Microcontrolador ....................................................................... - 49 -
3.4 Diagrama electrónico módulo A ............................................................................................................... - 50 -
3.4.1 Diagrama de Flujo del módulo de seguridad ..................................................................................................... - 51 -
3.5 Diagrama electrónico módulo B ............................................................................................................... - 52 -
3.5.1 Diagrama de Flujo del monitoreo de sensores ................................................................................................... - 53 -
3.6 Diagrama electrónico de amplificador de señal ..................................................................................... - 54 -
3.7 Diagrama electrónico de ambos módulos ................................................................................................ - 55 -
Capítulo IV Desarrollo de la comunicación ........................................................................................ - 59 -
4.1.- Descripción de la comunicación entre sistemas. ................................................................................... - 60 -
4.2 Configuración del módulo XBee .............................................................................................................. - 60 -
4.2.1 Operación en modo transparente ....................................................................................................................... - 60 -
4.3 Módulos de operación XBee .................................................................................................................... - 62 -
4.3.1 Modo RECIBIR/TRANSMITIR ........................................................................................................................ - 63 -
4.3.2 Modo de bajo consumo (Sleep Mode) ............................................................................................................... - 63 -
4.4.-Software X-CTU ....................................................................................................................................... - 63 -
4.4.1.- Componentes del coordinador Xbee ................................................................................................................ - 65 -
4.4.2.-Configuración con el software X-CTU ............................................................................................................. - 66 -
4.5-Estudio Socioeconómico ............................................................................................................................ - 71 -
Conclusiones ..................................................................................................................................................... - 74 -
Recomendaciones ............................................................................................................................................. - 75 -
Referencias bibliográficas ............................................................................................................................... - 76 -
Anexo A Código fuente ................................................................................................................................... - 77 -
Anexo B Características del Microcontroladores PIC18F877A ................................................................. - 79 -
Anexo C Características principales del Xbee ............................................................................................. - 80 -
Glosario ............................................................................................................................................................ - 83 -
Índice de figuras

Figura 1.1 Esquema de Arquitectura de Sistema Domótica ......................................................................... - 4 -
Figura 1.2 Esquema de Arquitectura de Sistema Domótica Descentralizada ............................................. - 5 -
Figura 1.3 Esquema de Arquitectura de Sistema Domótica Distribuida .................................................... - 5 -
Figura 1.4 Esquema de Arquitectura de Sistema Domótica Híbrida/Mixta ............................................... - 6 -
Figura 1.5. Sensores utilizados en los sistemas de vivienda domótica ....................................................... - 11 -
Figura 2.1 Tipos de redes inalámbricas ....................................................................................................... - 23 -
Figura 2.2. Aplicaciones ZigBee .................................................................................................................... - 25 -
Figura 2.3 Protocolos Zigbee ......................................................................................................................... - 28 -
Figura 2.4 Arquitectura ZigBee .................................................................................................................... - 30 -
Figura 2.5 Modulo Xbee XB24 con diagrama a bloque del control de flujo ............................................. - 32 -
Figura 2.6 Diagrama esquemático del XB24 ................................................................................................ - 34 -
Figura 3.1 Diagrama de Sistema Completo .................................................................................................. - 37 -
Figura 3.2 Diagrama de la cerradura electrónica ........................................................................................ - 50 -
Figura 3.3 Diagrama eléctrico de monitoreo de sensores ........................................................................... - 52 -
Figura 3.4 Amplificador de señal .................................................................................................................. - 54 -
Figura 3.5 Diagrama electrónico Completo ................................................................................................. - 55 -
Figura 3.6 Diseños de PCB............................................................................................................................. - 56 -
Figura 3.7 Prototipo ....................................................................................................................................... - 57 -
Figura 3.8 Parte frontal Modulo A ............................................................................................................... - 57 -
Figura 3.9 Modulo B ....................................................................................................................................... - 58 -
Figura 3.10 Modulo XBEE ............................................................................................................................ - 58 -
Figura 4.1 Diagrama de comunicación ......................................................................................................... - 60 -
Figura 4.2 Configuración Punto a punto ...................................................................................................... - 61 -
Figura 4.2.1 Configuración punto-multipunto ............................................................................................. - 62 -
Figura 4.3 Modos de operación XBee ........................................................................................................... - 62 -
Figura 4.4 Pantalla de X-CTU ....................................................................................................................... - 64 -
Figura. 4.5 Interfaz con la computadora ..................................................................................................... - 65 -
Figura 4.6 Software X-CTU ........................................................................................................................... - 66 -
Figura. 4.7 Captura de pantallas de la comunicación ................................................................................ - 67 -
Figura 4.8 Conexión del módulo Xbee .......................................................................................................... - 68 -
Figura 4.9 Conexión punto a punto entre dos computadoras a través de los módulos Xbee .................. - 69 -
Figura 4.10 Comunicación entre XBEE ....................................................................................................... - 70 -
I
Índice de tablas

Tabla 1.1 Características de algunos microcontroladores “mini” ............................................................. - 16 -
Tabla 1.2 Características de algunos microcontroladores “baja o básica” ............................................. - 17 -
Tabla 1.3 Características de algunos microcontroladores “media”......................................................... - 18 -
Tabla 1.4 Características de algunos microcontroladores “alta.............................................................. - 19 -
Tabla 1.5 Características de microcontroladores de la familia 16F8XXX ............................................... - 20 -
Tabla 2.1. Comparación de Tecnologías Inalámbricas ............................................................................... - 27 -
Tabla 2.2 Terminales del XB24 ..................................................................................................................... - 34 -
Tabla 3.1 Características de sensor .............................................................................................................. - 39 -
Tabla 3.2 Características básicas del 2N3904 .............................................................................................. - 40 -
Tabla 3.3.1 Número de los puertos del módulo A ........................................................................................ - 47 -
Tabla 3.3.2 Número de los puertos del módulo A ........................................................................................ - 48 -
Tabla 4.1 Componentes electrónicos por modulo ........................................................................................ - 71 -
Tabla 4.2 Costo total del proyecto ................................................................................................................. - 72 -
Tabla 4.3 Costo total del proyecto ................................................................................................................. - 73 -
II
Objetivo general

Implementar un sistema de control de dispositivos en una arquitectura domótica de tipo mixta, usando el
protocolo de comunicación ZigBee.

Objetivos particulares

 Implementar un sistema de control en arquitectura mixta.
 Desarrollar sistemas de control de dispositivos basados en microntroladores.
 Implementar el sistema de comunicación inalámbrica ZigBee para uso en domótica.

III