Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Rosa Camarillo Escobedo, Profesora-Investigadora, Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de la Laguna-Dpto. Ingeniería Metal-Mecánica-Mecatrónica
- Elisa Martínez Hernández, Estudiante de Pregrado de Ingeniería Mecatrónica, Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnólogico de la Laguna
- Juan Antonio Ramírez Bruno, Profesor, Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de la Laguna-Dpto. Ingeniería Eléctrica-Electónica
- Arturo Urquizo Valdés, Profesor, Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de la Laguna-Dpto. Ingeniería Metal-Mecánica-Mecatrónica
- Juana Camarillo Escobedo, Profesora, Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de la Laguna-Dpto. Ingeniería Eléctrica-Electrónica
Resumen
El creciente incremento del consumo energético y su costo asociado en edificios y hogares, generalmente es debido a la falta de control y supervisión de los equipos. Actualmente, los edificios consumen el 42% de toda la energía eléctrica a nivel mundial. Una de las tendencias en el ahorro energético es la automatización, lo que ha impulsado el desarrollo de edificios inteligentes. El presente trabajo describe la automatización inteligente para la implementación de espacios educativos sustentables orientados a la eficiencia energética y control óptimo de los sistemas de acceso, iluminación, seguridad, control ambiental y audiovisual. El control central se basó en microcontrolador de alta gama, una red de sensores inteligentes y una interfaz gráfica de usuario y comunicación inalámbrica para su operación y configuración mediante PC y dispositivos móviles. Con este enfoque de integración, la automatización y control de un aula logró un ahorro energético del 70% además de minimizar el impacto ambiental en 433.74 kg de CO2. Se observó un incremento del 90% de satisfacción del usuario así como un incremento del 85% en su aprendizaje de acuerdo a evaluación de encuestas. El desempeño de la iluminación LED cumplió con la norma NOM-025-STPS-2008.
Palabras clave
Edificios Inteligentes, Automatización, Microcontrolador, Red de Sensores, Comunicación Inalámbrica, Ahorro Energético, Educación Sustentable
Introducción
En la educación pública, la carencia de espacios, el reducido equipamiento tecnológico en las aulas, así como una falta de planeación en los servicios generales y de mantenimiento en las instituciones, han propiciado el desinterés de aprendizaje y la casi nula búsqueda del conocimiento por parte de la mayoría de los estudiantes.
Los sistemas de automatización de viviendas y edificios tienen que ver en el sentido más amplio, con la mejora en la interacción con y entre los dispositivos tecnológicos que se encuentran típicamente en el interior de una habitación. Los recientes avances en la adquisición de datos y análisis de los mismos, el desarrollo, ampliación y modernización de la tecnología inalámbrica y el internet de las cosas (IoT) están abriendo nuevas posibilidades para la tecnología de Edificio Inteligente. En la actualidad, los sistemas de gestión de edificios (BMS) tienen la capacidad de aprender e incluso anticiparse a las necesidades de sus ocupantes y preferencias para la luz, la temperatura y otros servicios incluyendo el ahorro de energía a través del suministro dirigido y el uso de las energías renovables. La automatización de edificios puede considerarse como un caso especial de automatización de procesos, pero como proceso, el ambiente interior del edificio (y sus alrededores más próximos) (ISO, Building Automation and Control System (BACS) PArt 2., ISO Std. 16 484-2, 2004).
En este sentido, un AULA INTELIGENTE lo define el ambiente inteligente para dar soporte a los procesos educativos bajo el modelo colaborativo y/o reflexivo. Sustituye la interacción en el aula del profesorado y alumnado de un salón de clases de cuatro paredes a un ambiente inteligente y sustentable que va desde el ahorro de energía, la seguridad, la automatización y control de los dispositivos tecnológicos instalados, hasta la generación y búsqueda del conocimiento. Otros parámetros que considera son la arquitectura y el mobiliario los cuales deben ser seleccionados especialmente con características como su flexibilidad, movilidad, luminosidad y excelente acústica. Por otro lado los costos relacionados con el consumo de electricidad son una de las razones actuales de la creciente demanda de usuarios para la construcción de sistemas de automatización en edificios inteligentes.
Esta área está fuertemente influenciada por el avance y desarrollo de las tecnologías de la información y las redes de comunicación (TIC´S). Para lograr la gestión de instalaciones inteligentes y mejorar el rendimiento general del aula, es necesario desarrollar e implementar sistemas de control y automatización de edificios (BACS) de una manera eficaz, considerando las tecnologías apropiadas, los requisitos e innovación del proyecto.
Descripción del proyecto
En este proyecto de investigación se presenta una solución rentable y económica que utiliza un controlador central en el núcleo del sistema basado en microcontrolador de alta gama para dotar de inteligencia al aula. El control central gestiona la operación de dispositivos de los sistemas de control de acceso, seguridad, automatización del sistema audiovisual y el control de ambiente y monitorización. Para la configuración, supervisión y operación de estos sitemas, se creó una interfaz gráfica que opera en una PC la cual fue desarrollada utilizando Visual Studio C#. Para dispositivos móviles como tableta electrónica y teléfono inteligente, se desarrolló una App utilizando Andoid Studio. Esto permite al usuario configurar el entorno del aula inteligente de acuerdo a las necesidades que se presenten.
Antecedentes
La mayoría de las técnicas de automatización de edificios se centran en la explotación de las comunicaciones inalámbricas para el enlace de los dispositivos. Las estrategias iniciales se basaron en comunicar sensores mediante Bluetooth para la automatización del hogar (Shepherd R., «Bluetooth wireless technology in the home» Journal of Electronics and Communication Engineering, vol. 13, nº 5, pp. 195-203, 2001). Otro sistema de automatización basado en Bluetooth implementó un mando a distancia y un controlador de host móvil que logró la comunicación con varios dispositivos que representaron a los electrodomésticos (Sriskanthan N., «Bluetooth based home automation system» Microprocessors and microsystems, nº 26, pp. 281-289, 2002). Otro desarrollo logró implementar topologías multipunto para transmitir información de un nodo sensor a un teléfono móvil o PC (Song G., Wei Z., Zhang W., Song A., «Design of a networked monitoring system for home automation» IEEE transactions on Consumer Electronics, vol. 53, nº 3, pp. 933-937, 2007). Un sistema domótico se logró utilizando protocolo ZigBee mediante una red Wi-Fi a través de una puerta de enlace, evaluado la integración de 4 dispositivos (Gil K., Yang H., Yao F., Lu X., «A ZigBee-based home automation system» IEEE Transaction on Consumer Electronics, vol. 55, nº 22, pp. 422-430, 2009). Un enfoque similar fue realizado mediante el diseño de una arquitectura de integración de una red doméstica ZigBee (Young-Guk H., «Dynamic integration of Zigbee home networks into home gateways, usign OSGi service reistry.,» IEEE transaction on Costumer Electronics, vol. 55, nº 2, pp. 470-476, 2009). Otro sistema desarrollado consistió en la interconexión y control de dispositivos y sensores mediante el empleo de FPGA (Field Programmable Gate Array) (Debono C., Kurt A., «Implementation of a Home Automation System through a Central FPGA Controller» de IEEE Electrotechnical Conference (MELOCON), Mediterran, 2012). Estos sistemas pueden variar, de simple control remoto de la iluminación, mediante redes basadas en microcontrol de instrucciones complejas con diferentes grados de inteligencia y automatización (Thomas J., «Intelligent sensor based building automation and energy management» International Journal of Advanced Research in Computer Science and, vol. 3, nº Issue 8, pp. 841-851, 2013). De acuerdo a la automatización de edificios, el término de Domótica se refiriere generalmente a la automatización en áreas no industriales con la integración de las nuevas tecnologías al espacio arquitectónico aplicadas al control y automatización inteligente que permite una gestión eficiente del uso de la energía, seguridad, confort y comunicación entre el sistema y el usuario (CEDOM, Instalaciones domoticas, cuaderno de buenas prácticas para promotores y constructores, 2a. Ed. ed., Madrid: AENOR, 2008). Considerando el IoT, para el control de iluminación de un edificio se han implementado sistemas embebidos y comunicación inalámbrica a través de Internet 2 teniendo como servidor una tarjeta adquisitora Raspberry y como esclavos tarjetas Arduino. En una revisión de los últimos cinco años, se han propuesto varios tipos de sistemas de automatización del hogar y se clasifican de acuerdo a su funcionalidad, el modo de interacción con el usuario, los sistemas de programación y la rentabilidad.
Control Central
El sistema de control central procesa la información para la operación de los sistemas de Control de acceso, Control de Iluminación LED, Seguridad y alarmas, Automatización de audiovisual (encendido/apagado de proyectores, ascenso-descenso de pantallas, audio, apertura/cierre de persianas) y Monitoreo del ambiente exterior/interior (calidad del aire, temperatura y humedad). Así mismo cuenta con un tablero de operación manual, para realizar mantenimientos al sistema.
El sistema de control central se basa en un microcontrolador de alta gama PIC18F4550 (Microchip, USA), para la operación y adquisición de las señales generadas por una red de sensores inteligentes y dispositivos periféricos incorporados en cada sistema. Para el procesamiento de estas señales, el microcontrolador utilizo los siguientes módulos de comunicación. FS-USB (12Mbit/s): comunicación con la interfaz gráfica de usuario en la PC; I2C: comunicación Control de ambiente; SPI (hasta 10Mbit/s) (serial peripherial interface): Comunicación para el control de acceso; EUSART (puerto serial asíncrono): comunicación con dispositivos móviles (Tableta electrónica y/o teléfono inteligente). Para la automatización del sistema audiovisual, el microcontrolador utilizó el puerto E/S digitales mediante el protocolo NEC.
Sistema de control de acceso
Se implementó un sistema de control de acceso inalámbrico de corto alcance mediante tarjetas RFID (Radio Frequency IDentification) RC522 (MIFARE, Alemania). La comunicación de este dispositivo se realizó mediante el puerto serial SPI del microcontrolador y transmite datos en formato ASCII. Fueron utilizadas las 5 líneas de transmisión del protocolo: GND, MOSI, MISO, SDA y SCK. Se estableció una transmisión asíncrona por lo que se puede recibir información por un canal y por otro canal enviar información. Se desarrolló una base de datos local para almacenar y definir los códigos de acceso de las tarjetas RFID para cada uno de los docentes que tendrían acceso al área. Una vez reconocido el código ID, el control central manda una señal a un circuito de potencia para energizar la bobina de la chapa eléctrica permitiendo así la apertura del mecanismo de la puerta. Una vez accedido se almacena en la base de datos la fecha y hora de entrada del docente.
Sistema de iluminación LED
La operación automática de lámparas LED por movimiento es posible gracias a la fusión sensorial cooperativa de 4 sensores PIR colocados en cada una de las esquinas del aula, manteniendo un campo visual de 180° hasta 11 m, de zonas de movimiento. Estos se configuran con tres modos ajustables: sensibilidad, iluminación y tiempo de encendido. Este mismo procedimiento, el cual dura 4 minutos, está aplicado individualmente para cada lámpara exterior del pasillo para iluminar el trayecto del transeúnte cuando la luz natural se reduzca a 20%.
Sistema de control de ambiente
El mayor consumo energético en los edificios es generado por el equipo de climatización instalado. Para un óptimo control de ambiente interno fueron instalados sensores para el monitoreo de temperatura, humedad y atmosfera (gas LP, CO, CO2). Este sistema se basó en un microcontrolador de gama media PIC12F508A (Microchip, USA), un sensor digital de temperatura y humedad DHT22, un sensor de gas MQ-135 y la señal obtenida de la fusión sensorial para detección de movimiento. El proceso automatizado se basó en una sencilla lógica de control con las varibales de temperatura y presencia. Con el objetivo de un uso eficiente de la energía, fueron determinados los parámetros de operación cuando la temperatura fuese superior a los 25°C y se detectara movimiento en el espacio. Además, debido a la integración del sensor de gas, dada la detección de alguno como gas LP o dióxido de carbono por incendio, el sistema de control de ambiente tendrá la prioridad de activar una alarma externa y abrir automáticamente la puerta para permitir la salida de los ocupantes del aula.
Automatización del Sistema Audiovisual
El aula inteligente fue pensada para proporcionar un óptimo ambiente de estudio, con los medios tecnológicos y audiovisuales para el enriquecimiento del aprendizaje. La automatización de estos dispositivos, consistió en el control de luz natural incidente en el aula mediante la operación de apertura y cierre de persianas PVC, el desplazamiento automático de dos pantallas de proyección, el encendido de dos proyectores de video, el control del sistema de iluminación LED y el equipo de audio. El proceso automatizado consiste en el control de una secuencia de operación de todos estos dispositivos al momento de encender un proyector, señal que recibe un sensor VS1838B y decodificado por el CMIR (Control Mando Infrarrojo). Este control de proceso consiste en encender proyector, bajar la pantalla correspondiente a ese proyector, apagar la iluminación LED al 20% y cerrar persianas. Estas señales son enviadas en protocolo NEC. El protocolo NEC utiliza codificación de bits por pulsos a distancia. Cada pulso es de 560 us de duración con una portadora de 38 KHz (cerca de 21 ciclos). Un “1” lógico toma 2.25 ms para transmitirse mientras que un “0” lógico es de sólo la mitad del anterior siendo de 1.125 ms y el bit de inicio tiene una duración de 13.5 ms. Haciendo un total de 32 bits de dato y un bit de inicio.
Resultados
El sistema de iluminación LED diseñado e implementado proporcionó 355.55 luxes cumpliendo con la norma NOM-025-STPS-2008 para las aulas académicas. Las pruebas fueron validadas utilizando un instrumento industrial para la medición de luminosidad Light meter HS1010. De acuerdo a la longitud de 25 m en el pasillo exterior al aula, el sistema captó movimiento en un rango de 1.5 m y a un 20% de la luz natural, ocurrido entre las 7:55 pm y 8:05 pm para poder encenderse. El consumo eléctrico de las luminarias, considerando un uso diario de 6 hrs durante el semestre agosto-diciembre fue de 36KW con ahorro energético del 70%. De acuerdo a los datos de CFE (Comision Federal de Electricidad), fue calificado como consumo bajo por ser menor a 300 KWh (para la región norte de México). Por otro lado, la cantidad de CO2 (dióxido de carbono) que no se expulsó al medio ambiente fue de 433.74 Kg. Las interfaces gráficas para PC y dispositivos móviles desarrolladas, ofrecen una facilidad de operación tal como cualquier aplicación para Windows. En la figura 5 (a) se puede observar esta interfaz. Integra (1) menú de herramientas para la conectividad con el control central, (2) barra de menus para el manejo de datos e históricos, (3) Area de iconos para el control de dispositivos y (4) una barra de estado para los mismos.
La barra de herramientas se puede observar en la figura 6. Esta posee las siguientes funciones: 1-Conectividad: contiene las opciones del manejo de puertos, refrescar, desconectar o guardar el puerto actual; 2-Seleccionar el puerto COM del control central; 3-Menu de ayuda: Despliega una lista de documentos de ayuda para el usuario; 4-Menu de salida: Permite salir de la aplicación de manera segura y 5-Menu de opciones especiales para iniciar el proceso automático del audiovisual.
Las encuestas realizadas para obtener el nivel de satisfacción de los estudiantes asi como el incremento en su aprendizaje mostraron un 90% de satisfacción del usuario, así como un incremento del 85% en la calidad académica e infraestructura, datos obtenidos de los docentes que imparten catedra en el AULA INTELIGENTE.
Conclusiones
Este proyecto de investigación está dirigido a prmover el cambio del modelo educativo en México, partiendo de la conceptualización de lo que sería la calidad en educación no solo con la implementación de aulas activas conformadas por las TIC´s (tecnologías de la información y comunicaciones), sino adaptarse a un mundo cada vez más globalizado y donde resulta necesario el empleo y/o desarrollo de tecnología para un intercambio de conocimientos tanto nacional como internacional. Bajo este esquema, se logró el desarrollo tecnológico de hardware y software embebido obteniendo un prototipo de bajo costo, alto desempeño y confiabilidad para lo cual se cuenta con el registro de derechos de autor, tanto del sistema electrónico del control central, el dispositivo electrónico de control de acceso y el software de la interfaz gráfica. Con este prototipo de automatización, control y ahorro energético, se espera coadyuvar a la reducción del consumo eléctrico e incrementar la calidad académica con el fin de incrementar el financiamiento y participación en proyectos de innovación que puedan introducirse a un mercado importante.