Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Roberto Ferro, Investigador, Universidad Distrital Francisco José de Caldas
- Yesid Díaz, Investigador, Corporación Unificada Nacional Cun
- Emma Castillo, Investigador, Grupo LIDER, Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Resumen
La iluminación artificial existente en los hogares, es un servicio importante para la sociedad tipo Web 2.0, es inherente frente al hecho de que ahora no sólo los humanos llegan a sus casas con el objetivo de dormir o comer, sino que también requieren cumplir con los deberes propios del trabajo laboral o educacional y a futuro con nuevos paradigmas como el Teletrabajo. Por esta razón se generan situaciones en las que espacios vacíos se encuentran con factores que implican consumos que no son necesarios como las luces encendidas o exceso de iluminación, situaciones que no sólo generan un alto consumo de energía sino también un costo elevado de la misma para el usuario, debido a esto realizamos un estudio sobre electrónica y circuitos que permitan crear una solución a estos inconvenientes y que permita presentar una interface de software que a futuro pueda controlar estos aspectos y muchos más.
Introducción
Una edificación sustentable no solo tiene aspectos ambientales, también incluye aspectos sociales, institucionales y económicos; para lograr lo anterior es necesario realizar reducciones de un 30% de consumo de energía eléctrica; 35% las emisiones de carbono y del 30 al 50% el consumo de agua; además de generar un ahorro neto de entre el 50 y 90% en el costo del manejo de los desechos; según datos publicados por United States Green Building Council (USGBC). De esta forma un edificio sustentable es aquel cuyo diseño incluye sus métodos constructivos reduce de manera significativa el impacto negativo sobre la naturaleza, las personas y las empresas. Se basa en la incorporación de aspectos vinculados con el consumo racional de energía y agua; el cuidado del aire interno y externo; la selección de materiales; y su ubicación. Todo lo anterior redunda en torno a una palabra llamada eficiencia (Ortega, M. 2012). Actualmente el ser humano tiene la conciencia de crear diseños que incorporen la transformación que permita esquemas para atender el cambio climático y el manejo adecuado de los recursos naturales. Existen cifras contundentes en cuanto al ahorro y las ventajas económicas que puede tener. Una edificación será más eficiente si forma parte de una comunidad con infraestructura desarrollada con criterios que aúnen temas de transporte, servicios de gas, energía eléctrica y agua potable, el manejo adecuado de agua de lluvia, aguas residuales y residuos sólidos (Sánchez, 2013).
Para lograr una operación 100% eficiente en cualquier edificación o con “cero energía”, es necesario producir la energía que requieren mediante el uso racional y eficiente de sus dispositivos y con capacidad de producir su propia energía. Estas edificaciones minimizan la demanda de electricidad y calor al hacer uso de fuentes renovables de energía; en las edificaciones mismas, se produce toda la energía que consumen. El desarrollo sostenible asegura el presente sin comprometer la capacidad de las nuevas generaciones del futuro, según la definición dada por la Comisión Mundial del Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas en el año 1978 sostiene que es importante tener en cuenta el tipo de arquitectura de nuestras ciudades llevarlas a un ámbito inteligente y auto controlado, los hábitos de reciclaje, los medios de trasporte sostenibles impulsados con energías renovables y los residuos que generamos. Además las Naciones Unidas consideran que para el año 2030, más del 60% de la población mundial vivirá en áreas urbanas, advirtiendo desde ya, que estas ciudades absorben dos tercios del crecimiento demográfico en los países en desarrollo. De esta forma construimos ciudades sustentables e inteligentes; en caso contrario tendremos una degradación ambiental total.
La iniciativa en Colombia imprime grandes esfuerzos para verificar qué edificaciones son autosostenibles o inteligentes, en cuanto a los investigadores que proponen esta Comunicación comienzan realizando un Site Survey que muestra que son muy pocos los edificios que cuentan con estos aspectos, gracias a estos hallazgos se propone realizar una aplicación en un sistema embebido de bajo coste que permita ser implementado en casas sencillas e integrado en grandes edificaciones, para lograr lo anterior se realiza una amplia investigación y búsqueda de numerosos dispositivos electrónicos que cumplen con una ingeniería de requerimientos y entre esto se destaca el coste económico que permita una implementación a gran escala cumpliendo con estándares basados en el modelo IP que gobierna el mundo actual y como primer aspecto permita el control de la iluminación del hogar con un coste considerablemente menor a los que hoy en día se comercializan por grandes fabricantes a nivel mundial.
Situación en Colombia
En Colombia se tiene el Consejo Colombiano de Construcciones Sostenibles con apoyo del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificaciones ICONTEC, de allí se comenzó un trabajo conjunto de empresarios, universidades y gremios del país, para el año 2010, se inició la formulación del Sello Ambiental para Edificaciones Sostenibles (SAC-ES), logrando un avance en la formulación del mismo cercano al 60% un año después de su formulación. Este porcentaje de avance engloba un consenso casi en su totalidad, en temas que tienen relación con los aspectos e impactos ambientales, riesgos, localización, ahorro y uso eficiente del agua y energía eléctrica, e impactos durante la construcción de los mismos. Las empresas colombianas han entendido claramente la importancia del tema de desarrollo sostenible y por ello se han involucrado el SAC-ES de forma directa en la construcción de edificios amigables con el ambiente y los humanos.
Colombia registra un crecimiento vertiginoso en cuanto a proyectos sostenibles, dispuestos a ser asegurados con el Certificado “LEED” Certificado de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental, en concordancia con lo estipulado por el Consejo Colombiano de Construcciones Sostenibles “CCCS”. Las principales ciudades capitales Bogotá, Cali y Medellín, se suman a estas nuevas tendencias.
Edificaciones LEED en Colombia
El centro comercial Homecenter Cajicá (Cundinamarca), ha sido reconocido con la certificación Leed Platino, por la construcción de una tienda vanguardista que aplica la última tecnología para garantizar una operación respetuosa con el ambiente y la comunidad, destacando como principales atributos la ubicación y transporte, eficiencia energética, ventilación natural, iluminación, energías renovables, eficiencia en el consumo del agua y energía eléctrica, sostenibilidad en la construcción e innovación, aspectos que contribuyen en gran medida a la sostenibilidad del edificio.
Centro Cultural Julio Mario Santo Domingo en Bogotá; el cual está integrado por una biblioteca gigante y un teatro; esta edificación no tiene ventilación ni utiliza refrigeración artificial, su consumo ha sido implementado con corrientes naturales de aire circundante bajo su estructura, su iluminación es natural, gracias a enormes ventanales que permiten la entrada de la luz del día y además se encuentra rodeada por un esplendoroso verde gracias a las plantas que lo rodean.
El hotel Aloft Bogotá Airport del grupo Terranum, ha sido el primero en obtener la certificación LEED Oro en el país y el primero en Latinoamérica. El 13% de sus materiales de construcción son reciclados y maderas certificadas; el aire acondicionado funciona con agua, el tejado está plantado para ayudar a regular la temperatura del edificio y cuenta con un sistema recolector de agua de lluvias con reutilización de aguas grises y su iluminación es eficiente.
En la ciudad de Medellín, está el edificio Bancolombia, edificación que obtuvo en el año 2012 la certificación LEED Oro, mostrándolo como el mejor en Colombia y el segundo en Latinoamérica. El edificio se fundamentó con el objetivo de cumplir con los estándares internacionales de sostenibilidad, por medio de la reutilización de sus aguas grises y con un iluminación natural en su interior del 95%. Sus ascensores son de inteligencia neuronal, y el aire acondicionado eficiente con el propósito de reducir su consumo energético. La madera utilizada es certificada y de bajas emisiones, y sus residuos sólidos son completamente reciclados.
Site survey Productos
La propuesta para crear un dispositivo de bajo coste plantea la necesidad de realizar un site survey para conocer precios de dispositivos comerciales que se encuentran en el mercado, de esta forma es posible comparar los costes de producción contra dispositivos comerciales existentes ofrecidos en América latina, de estos solo se encuentran disponibles comercialmente 2 dispositivos que se presentan a continuación (Castillo&Montoya, 2014):
Belkin WeMo
WeMo consta, dentro de la gama ofrecida por la empresa Belkin, de un Controlador de enchufes y de un Sensor de movimiento, ambos con WiFi, lo cual permite controlarlos a través de cualquier dispositivo con acceso a este servicio pero con la excepción de que deberán disponer de la aplicación gratuita de iOS disponible en la App Store WeMo permite realizar tareas básicas del hogar como por ejemplo el encendido de luces, televisión, microondas, cafetera, y otros. Pero además ofrece la posibilidad de la integración de su hardware con la web IFTTT (If This Then That), servicio el cual permite establecer reglas de comportamiento, de manera que proporcionará la posibilidad de definir la respuesta de WeMo según sea el clima o la hora del día, y si hay alguien en el recinto WeMo a pesar de las bondades que ofrece sólo se encuentra disponible para funcionar en América, de manera que su instalación en países europeos requerirá el uso de adaptadores. Además de poseer un costo elevado, puesto que su valor ronda los 100 dólares por unidad.
SwitchLinc Dimmer
La empresa Insteon desarrolla estos elementos que consta de un switch intercambiable que posee una interfaz amigable para los usuarios con leds de colores que indican la intensidad de la luz, además permite un control táctil de encendido o apagado de la iluminación. El mando de este dispositivo se puede realizar por medio de cualquier dispositivo con acceso al servicio de internet, por controles dispuestos por la misma empresa o por un segundo tipo de Switch. El SwitchLinc Dimmer además de permitir el control de encendido y apagado de la iluminación, posibilita el manejo de la intensidad de la misma así como la velocidad con la que se encienden o pagan las luces de la habitación a ambientar. Del mismo modo el uso de varios Switches en un solo espacio permitirá establecer diferentes escenarios, útiles en caso de requerir tener distintos tipos de iluminación. Los costes son bastantes altos debido a que se requiere comprar diferentes módulos que permite la comunicación de cada uno de Switches con los diferentes dispositivos que los controlan (Switch dimmer, 2013)
Elementos de red y lenguajes de programación
- Router: Permite interconectar diferentes segmentos de red o redes enteras y hace pasar paquetes de datos entre redes tomando como base la información de la capa de red.
- ZigBee: Es un estándar que define un conjunto de protocolos de comunicación para redes inalámbricas de corto alcance y una tasa de transmisión baja. Los dispositivos inalámbricos basados en este estándar funcionan a 868 MHz, 915 MHz y 2,4 GHz, y la tasa de transmisión de datos máxima es de 250 K bits por segundo es el elemento central del proyecto.
- Servidor Xbee-Ethernet de InMojo: Este servidor está equipado con el integrado Wiznet W5100 liberador de carga TCP y un núcleo Arduino cuya potencia de procesamiento es similar a la de Arduino tipo UNO. Incluye la función de comunicación inalámbrica local a través de una red Zigbee. Su tamaño permite realizar dispositivos de poca robustez.
- CC2530/31/33: Es una solución System on a Chip SoC para sistemas de control remoto basados en IEEE 802.15.4, ZigBee y RF4CE. Posibilita la construcción de redes robustas, con un gran número de nodos muy bajo costo.
- MSP430G2553: Esta familia de microcontroladores de Texas Instruments de ultra-bajo consumo de energía, se compone de varios dispositivos con diferentes conjuntos de periféricos para diversas aplicaciones. La arquitectura tiene cinco modos de bajo consumo para lograr la vida extendida de la batería en aplicaciones de medición de variables en entornos remotos. El dispositivo cuenta con un poderoso RISC CPU de 16 bits. Las aplicaciones típicas incluyen sistemas de sensores de bajo costo que las señales analógicas de captura, estos se convierten en valores digitales y luego procesan los datos para su visualización o para su transmisión a un host.
- Interruptores: Edificios residenciales y comerciales por lo general montan o ‘empotran’ interruptores de luz en la pared para controlar la iluminación dentro de una habitación. La altura del montaje, visibilidad y otros factores de diseño varían según sea el país. En Colombia los interruptores tanto comerciales como industriales se diseñan bajo la norma NTC 1337, establecida por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación ICONTEC.
- Sitio Web: Estas deben estar almacenadas en un servidor web y ser accesibles a través de una dirección específica, una URL (Uniform Resource Locator).
Lenguajes de programación
- JavaScript: JavaScript se presenta como un lenguaje de desarrollo de aplicaciones cliente/servidor a través de internet.
- PERL: Practical Extraction and Report Language, deriva su sintaxis del lenguaje C, permite administrar con gran simplicidad los archivos y cadenas de texto.
- PHP: Es un lenguaje interpretado del lado del servidor que se caracteriza por su potencia, versatilidad, robustez y modularidad. Los programas escritos en PHP son embebidos directamente en el código HTML y ejecutados por el servidor web a través de un intérprete antes de transferir al cliente que lo ha solicitado un resultado en forma de código HTML.
- Python: Es un lenguaje de propósito general que puede utilizarse también para crear complejos programas orientados a objeto y con interfaces graficas de usuario.
- Ruby: Es un lenguaje de programación de código abierto dinámico con un enfoque en la simplicidad y la productividad. Tiene una sintaxis elegante que es natural para leer y fácil de escribir.
Solución implementada de bajo costo
Después de revisar el estado del arte y estudiar varios artículos publicados sobre el tema se eligieron los componentes más económicos y con las mejores características técnicas para implementar la solución propuesta, a continuación se muestra los circuitos implementados y la solución propuesta:
La página Web implementada se denomina control.html se realizó con carga en pantalla el valor porcentual de la iluminación actual de las habitaciones así como la hora programada para el encendido y/o apagado de las mismas, información la cual es provista previamente por el servidor al momento de hacerse la petición al mismo desde la página index,php.
Conclusiones
El sistema domótico para el control de la iluminación del hogar basado en el protocolo Zigbee que se propone en el proyecto se muestra como un producto competitivo a nivel nacional y asequible al público objetivo colombiano: clase media, media-alta y alta, así como rentable para la empresa desarrolladora, de manera que su comercialización presenta un alto porcentaje de ejecución. El tamaño y el diseño estructural de los hogares colombianos permite implementar redes tipo estrella usando la red Zigbee lo que permite lograr el alcance requerido para la comunicación entre el dispositivo coordinador Xbee S2 y cada uno de los dispositivos finales CC2530. La interfaz requerida para el control de la iluminación del hogar se implementa usando una página Web que puede ser configurada y gestionada desde cualquier dispositivo electrónico como un ordenador, una tableta o un teléfono celular inteligente, esto no limita el control de la iluminación sólo a dispositivos inteligentes (Smart Devices).
Agradecimientos
Los autores agradecen a los grupos de Investigación LIDER y AXÓN por sus aportes en el proyecto al ingeniero Roberto Ferro Escobar y Yesid Díaz por su colaboración en presentar el proyecto para ser implementado por algún inversionista.
Referencias
- Alexander, E. 2014. Schneider Electric.
- Castillo E & Montoya O. (2014), Implementación del prototipo de un sistema electrónico de bajo costo que permite el control inalámbrico de iluminación domótica basado en el protocolo zigbee.
- Comisión para la Cooperación Ambiental (CCA), 2008. “Edificación Sustentable en América del Norte. Oportunidades y Retos”. Informe del Secretariado al Consejo Conforme al Artículo 13 del Acuerdo de Cooperación Ambiental de América del Norte. Canadá.
- Ortega, M, (2012). Edificios sustentables: menos costos y mayores beneficios. 2013, de Ámbito Financiero Sitio web.
- Sánchez, P. (2013). Ciencias y Tecnologías de la Sustentabilidad. Hacia edificaciones más sustentables. 2013, de Universidad Nacional Autónoma de México Sitio web.
- SwitchLinc Dimmer, 2013. [Citado en 1 de Abril de 2013].
- Torcellini P., Pless S., and M. Deru M., Crawley D., 2006. “Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition”. ACEEE Summer Study Pacific Grove. California August 14−18. Disponible.