Manual para la aplicación de la tecnología ZigBee para edificios

150 Pages·2015·3.64 MB·Spanish

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
SEDE CUENCA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Tesis previa a la Obtención del
Título de Ingeniero Electrónico

TÍTULO:

“MANUAL PARA LA APLICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA ZIGBEE PARA
EDIFICIOS INTELIGENTES EN LA CIUDAD DE CUENCA”

AUTORES:
MARÍA AUGUSTA LOYOLA PINOS
PAÚL ALFONSO BECERRA DELGADO

DIRECTOR:
ING. DIEGO CHACÓN TROYA, Mdhd.

CUENCA – ECUADOR

2015
Los conceptos, análisis y conclusiones
desarrollados en el presente trabajo, son
de completa responsabilidad de los
autores.
DECLARACIÓN

Nosotros, María Augusta Loyola Pinos y Paúl Alfonso Becerra Delgado, declaramos
bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido
previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos
consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad
intelectual correspondientes a este trabajo, a la Universidad Politécnica Salesiana,
según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la
normatividad institucional vigente.
CERTIFICACION

Certifico que el trabajo “MANUAL PARA LA APLICACIÓN DE

LA TECNOLOGÍA ZIGBEE PARA EDIFICIOS

INTELIGENTES EN LA CIUDAD DE CUENCA”. Realizado

por María Augusta Loyola Pinos y Paúl Alfonso Becerra Delgado,

fue desarrollado bajo mi supervisión.
DEDICATORIA

Dedico todo mi esfuerzo y trabajo puesto para la realización de esta tesis a
personas muy especiales que siempre han estado a mi lado.
A mis padres, quienes son los pilares fundamentales en mi vida, y me apoyaron
de forma incondicional, a mis hermanos por estar siempre presentes y demostrarme
su cariño. Gracias a ustedes he logrado concluir mi carrera y a construir la persona
que ahora soy.

Ma. Augusta

Este proyecto lo quiero dedicar especialmente a mis padres, por ser pilares
fundamentales en mi formación académica y humana ya que gracias a ellos se ha
cumplido una meta anhelada. A mis hermanos por tenerme siempre como referente y
demostrarles que con sacrificio y de dedicación se pueden lograr muchos objetivos.
También quiero dedicar de manera simbólica a dos mujeres referentes en mi vida,
Isabel D. (+) y Jesús M. (+), quienes con sus cuidados y enseñanzas forjaron un
camino para la consecución de esta meta.
Paul B.
AGRADECIMIENTO

En primer lugar quiero agradecer a Dios que me ha bendecido y dado la sabiduría
para superar los obstáculos que se han presentado a lo largo de mi carrera. A mis
padres y hermanos, por ser parte importante en mi vida, gracias por su apoyo
incondicional y por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación;
por confiar y creer en mí ya que sin su ayuda no hubiese sido posible cumplir este
objetivo.
Al Ing. Diego Chacón, director de tesis por su valiosa guía y asesoramiento a la
realización de este trabajo. A mis amigos, familiares y a todas las personas que han
contribuido al desarrollo de mi tesis, Gracias.
Gracias por su ayuda y cariño.
Ma. Augusta

Quiero dar mis sinceros agradecimientos, primero a mis padres por estar siempre
presentes en los momentos en que más los necesitaba y nunca dudaron de la
obtención de este objetivo personal, también agradezco a mis hermanos que siempre
formaron un pilar fundamental en mi formación. Agradezco a las personas que están
presentes en mi diario vivir amigos y compañeros que gracias a ellos se ha forjado
estos ideales.
También expreso mis agradecimientos de manera especial al Ing. Diego Chacón
que de forma desinteresada nos brindó todos sus conocimientos para el desarrollo de
este proyecto. Gracias también a todas las personas que conforman La Universidad
Politécnica Salesiana, por todos los conocimientos impartidos y se esmeran en
formar excelentes profesionales.
Paul B.
Contenido
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1
CAPÍTULO 1. ............................................................................................................... 2
1. TECNOLOGÍA ZIGBEE .................................................................................. 2
1.1 INTRODUCCION ...................................................................................... 2
1.2 DEFINICIÓN Y ORIGEN DEL NOMBRE ZIGBEE ............................... 2
1.3 CARACTERÍSTICAS GENERALES ........................................................ 5
1.4 DISPOSITIVOS DE UNA RED ZIGBEE ................................................. 7
1.4.1 COORDINADOR ZIGBEE ................................................................ 7
1.4.2 ROUTER ZIGBEE .............................................................................. 7
1.4.3 DISPOSITIVO FINAL ........................................................................ 7
1.5 TOPOLOGÍA DE LA RED ........................................................................ 9
1.5.1 TOPOLOGÍA EN ESTRELLA ........................................................... 9
1.5.2 TOPOLOGÍA EN ARBOL ............................................................... 10
1.5.3 TOPOLOGÍA EN MALLA ............................................................... 10
1.6 ARQUITECTURA ................................................................................... 11
1.6.1 DEFINIDO POR IEEE 802.15.4 ....................................................... 12
1.6.1.1 Capa Física (Phy) .............................................................................. 12
1.6.1.2 Capa De Control De Acceso Al Medio (Mac) .................................. 16
1.6.2 DEFINIDO POR ALIANZA ZIGBEE ............................................. 22
1.6.2.1 Capa de Red (NWK) ......................................................................... 22
1.6.2.2 Capa De Aplicación (APL) ............................................................... 25
1.7 VENTAJAS Y DESVENTAJAS.............................................................. 27
CAPÍTULO 2. ............................................................................................................. 29
2. COMUNICACIÓN INALAMBRICA ............................................................ 29
2.1 ESTANDAR 802.15 ................................................................................. 29
2.2 REDES INALÁMBRICAS ...................................................................... 29
2.2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES .............................................. 29
2.2.2 TIPOS DE REDES ............................................................................ 30
2.2.3.1 Redes De Área Personal Inalámbrica (WPAN) ................................ 31
2.2.3.2 Redes De Área Local Inalámbrica (WLAN) ..................................... 31
2.2.3.3 Redes De Área Metropolitana Inalámbrica (WMAN) ...................... 33
i
2.2.3.4 Redes De Área Extendida Inalámbrica (WIDE AREA) .................... 33
2.2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ...................................................... 34
2.3 REDES DE AREA PERSONAL INALAMBRICA (WPAN) ................. 35
2.3.1 GRUPOS DE TRABAJO .................................................................. 36
2.3.1.1 Grupo De Trabajo 802.15.1 ............................................................... 36
2.3.1.2 Grupo De Trabajo 802.15.2 ............................................................... 37
2.3.1.3 Grupo De Trabajo 802.15.3 ............................................................... 37
2.3.1.4 Grupo De Trabajo 802.15.4 ............................................................... 37
2.3.2 CLASIFICACION DE LAS REDES WPAN ................................... 37
2.3.2.1 WPAN De Tasa Alta De Transferencia De Datos ............................ 38
2.3.2.2 WPAN De Tasa Media De Transferencia De Datos ......................... 39
2.3.2.3 WPAN De Tasa Baja De Transferencia De Datos ............................ 40
2.3.3 APLICACIONES DE LAS WPAN’s ................................................ 41
2.4 ANÁLISIS COMPARATIVO CON OTRAS TECNOLOGÍAS WPAN. 42
2.4.1 ANÁLISIS COMPARATIVO .......................................................... 43
2.4.2 CUADRO COMPARATIVO ............................................................ 49
CAPÍTULO 3. ............................................................................................................. 53
3. ESTANDAR ZIGBEE PARA EDIFICIOS INTELIGENTES ....................... 53
3.1 EDIFICIOS INTELIGENTES .................................................................. 53
3.1.1 DEFINICIÓN .................................................................................... 53
3.1.2 INFRAESTRUCTURA ..................................................................... 54
3.1.2.1 Aspecto Funcional ............................................................................. 54
3.1.2.2 Aspecto Estructural ........................................................................... 56
3.1.3 COMPONENTES ............................................................................. 57
3.1.3.1 Controlador ........................................................................................ 57
3.1.3.2 Sensor ................................................................................................ 57
3.1.3.3 Actuador ............................................................................................ 57
3.1.4 ARQUITECTURA ............................................................................ 57
3.1.4.1 Arquitectura Centralizada .................................................................. 57
3.1.4.2 Arquitectura Distribuida .................................................................... 58
3.1.4.3 Arquitectura Mixta O Hibrida ........................................................... 58
3.1.5 GRADOS DE INTELIGENCIA ....................................................... 59
3.1.5.1 Grado De Inteligencia Mínimo (Grado 1) ......................................... 59
ii
3.1.5.2 Grado De Inteligencia Medio (Grado 2) ........................................... 59
3.1.5.3 Grado De Inteligencia Máximo (Grado 3) ........................................ 59
3.2 TECNOLOGIAS PARA CONFORT ....................................................... 59
3.2.1 METODOS PARA CONTROL DE ILUMINACIÓN ...................... 59
3.2.1.1 Regulación Y Control Manual .......................................................... 61
3.2.1.2 Regulación Y Control Autónomo ...................................................... 63
3.2.2 METODOS PARA CONTROL DE CLIMATIZACIÓN ................. 68
3.2.2.1 Control Térmico por Zona ................................................................. 69
3.2.2.2 Control Por Hora O Temporizados ................................................... 70
3.3 GESTION DE CONTADORES INTELIGENTES .................................. 74
3.3.1 PERFIL “ZIGBEE SMART ENERGY” ........................................... 75
3.3.1.1 Tipos de Dispositivos ZigBee Smart Energy .................................... 76
3.3.2 SISTEMA DE MEDICIÓN AVANZADA AMI .............................. 77
3.3.2.1 Medidores inteligentes ...................................................................... 78
CAPÍTULO 4. ............................................................................................................. 81
4.1 CONCLUSIONES .................................................................................... 81
4.2 RECOMENDACIONES ........................................................................... 83
Bibliografía ................................................................................................................. 86
Anexos ........................................................................................................................ 89

iii
Índice de Figuras

Figura 1. 1: Promotores de ZigBee Alliance [2] ........................................................... 3
Figura 1. 2: Participantes de ZigBee Alliance [2] ......................................................... 4
Figura 1. 3: Tipos de Dispositivos según el papel que desempeña. .............................. 8
Figura 1. 4: Tipos de Dispositivos según su funcionalidad. ......................................... 9
Figura 1. 5: Topología en estrella ................................................................................. 9
Figura 1. 6: Topología en árbol ................................................................................... 10
Figura 1. 7: Topología en malla .................................................................................. 11
Figura 1. 8: Capas que conforman la pila de protocolos para ZigBee [7] .................. 11
Figura 1. 9: Canales de Frecuencias usadas por IEEE 802.15.4-2003 [9] ................. 15
Figura 1. 10: Tipos de paquetes básicos de ZigBee [10] ............................................ 18
Figura 1. 11: Capa de Aplicación [7] .......................................................................... 25

Figura 2. 1: Redes Inalámbricas. ................................................................................. 30
Figura 2. 2: Clasificación de Redes Inalámbricas ....................................................... 30
Figura 2. 3: Redes de Área Personal Inalámbrica ....................................................... 31
Figura 2. 4: Redes de Área Local Inalámbrica [14] .................................................... 32
Figura 2. 5: Redes de Área Extendida Inalámbrica [14] ............................................. 34
Figura 2. 6: Interconexión de Dispositivos. ................................................................ 40
Figura 2. 7: Logotipo de la tecnología Bluetooth [4] .................................................. 43
Figura 2. 8: Logotipo de la tecnología Z-Wave [18] .................................................. 45
Figura 2. 9: Logotipo de la tecnología EnOcean [19] ................................................. 47

Figura 3. 1: Arquitectura Centralizada ........................................................................ 57
Figura 3. 2: Arquitectura Distribuida .......................................................................... 58
Figura 3. 3: Arquitectura Mixta o Hibrida .................................................................. 58
Figura 3. 4: Control Manual de luminarias desde diferentes dispositivos .................. 61
Figura 3. 5: Control Automático de luminarias desde diferentes dispositivos. .......... 63
Figura 3. 6: Control del sistema HVAC ...................................................................... 71
Figura 3. 7: LGATE- 950 [24] .................................................................................... 72
Figura 3. 8: Esquema de conexión con Gateway BlueBox [25] ................................. 73
Figura 3. 9: Coordinador/Gateway ZigBee y Modbus [26] ........................................ 74
Figura 3. 10: Estructura del Sistema AMI .................................................................. 75
Figura 3. 11: Esquema de Gestión de medidores inteligentes [28] ............................. 78
iv