Comunicación presentada al I Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- César Gómez Otero, Centro de Domótica Integral (CeDInt –UPM)
- Rocío Martínez García, Centro de Domótica Integral (CeDInt –UPM)
- Ángel Martín Fuente, Centro de Domótica Integral (CeDInt –UPM)
Resumen
En este artículo se presenta una plataforma completa (hardware + software) para la gestión de los edificios inteligentes. Dicha plataforma, denominada Spatia, se compone de una red de sensores inalámbricos basados en la tecnología IP y de un software para la gestión centralizada de todos los elementos y dispositivos presentes en el edificio.
Introducción
En la última década, el concepto de edificio inteligente ha sido un importante objetivo de todos los agentes implicados en el sector de la edificación. Este concepto persigue el desarrollo de espacios capaces de adaptarse y comportarse de forma autónoma para satisfacer las necesidades de sus ocupantes mientras se optimiza el uso de los recursos disponibles.
En este contexto, lo que inicialmente se planteaba como un objetivo inalcanzable, en parte gracias al gran desarrollo de las tecnologías de la información y las comunicaciones, se ha convertido en una posibilidad real para la implantación sobre las edificaciones actuales y futuras. En particular el gran avance de los últimos años en las áreas de redes de sensores inalámbricos (WSN: Wireless Sensor Networks) y sistemas de inteligencia artificial facilitan el desarrollo y amplían las capacidades de este tipo de edificaciones.
El uso de redes inalámbricas de sensores (y actuadores) permite, a un bajo coste, la implantación de un elevado número de elementos para la monitorización y actuación sobre los diferentes sistemas de los edificios tanto de nueva construcción como los previamente existentes. Al disponer de más elementos de monitorización (mayor cantidad de información) además de un mayor número de elementos sobre los que actuar, se incrementan considerablemente las posibilidades y funcionalidades que pueden proveer estos edificios.
Por su parte, el gran avance en las herramientas y tecnologías del área de la inteligencia artificial como son los sistemas de modelado ontológico, negociación y toma de decisiones, multiagente y aprendizaje máquina (machine learning) permiten el desarrollo de algoritmos y sistemas de control con una mayor autonomía, flexibilidad y capacidad de adaptación.
Basándose en estas nuevas tecnologías, en el Centro de Domótica Integral (CeDInt – UPM) se ha desarrollado una solución completa (Hardware y Software) para la monitorización, control y gestión de los edificios inteligentes, la cual se presenta a continuación.
Descripción general del sistema Spatia
Esta solución o sistema denominado Spatia se compone de una red de sensores/actuadores inalámbricos (BatNet), así como de una plataforma software (BatMP) para el desarrollo de aplicaciones avanzadas de monitorización y control. A pesar de que existen numerosas tecnologías y protocolos para la automatización de edificios se ha optado por el uso de una nueva tecnología de control y automatización actualmente en desarrollo (Kushalnagar, N. et. al, 2007), ya que la mayoría de las existentes (especialmente KNX y LonWorks) están diseñadas bajo los principios de la inteligencia distribuida, lo que conlleva una serie de inconvenientes para el desarrollo de los edificios inteligentes:
- Es necesario que todos los dispositivos dispongan de una mayor “inteligencia” y por lo tanto de una mayor capacidad de procesamiento y complejidad en su firmware, lo que eleva considerablemente su coste final.
- La programación del sistema está distribuida entre los diferentes nodos, la ejecución y toma de decisiones se realiza en base a la comunicación directa entre dispositivos, lo que provoca que estos solo dispongan de información parcial no permitiendo la ejecución de algoritmos más complejos o provocando que el resultado no sea el óptimo.
Por estos motivos se ha optado por el diseño de un sistema basado en un modelo de inteligencia semi-centralizada. Según este modelo existe un elemento central (BatMP) encargado de recoger y almacenar toda la información proveniente de los sensores y actuadores (BatNet), procesarla para determinar las acciones a realizar y enviarlas a los actuadores. De este modo, los dispositivos (sensores y actuadores) de la red actúan únicamente a modo de interfaz entre el mundo real y el sistema de control, simplificando su diseño y por lo tanto reduciendo su coste.
El principal problema del modelo completamente centralizado reside en que en caso de fallo del elemento central todo el sistema deja de funcionar. Por lo que se ha implementado un diseño de los dispositivos que permita la comunicación directa entre diferentes dispositivos así como con otros elementos de la red (PCs, smartphones, servicios web, etc.), además de disponer de un modo de funcionamiento básico (acciones sencillas) en caso de fallo del elemento central.
Red de sensores y actuadores: BATNET
Para la comunicación entre los dispositivos de la red se ha decido utilizar un sistema inalámbrico de radiofrecuencia, ya que al no requerir de un cableado se reduce considerablemente los costes de instalación, el sistema es mucho más escalable y flexible, además de permitir una sencilla instalación sobre edificios ya construidos.
A pesar de que actualmente existen varias tecnologías inalámbricas para el control y la automatización de edificios, donde destacan ZigBee, Zwave y EnOcean, se ha optado por el uso del estándar abierto 6LowPAN propuesto por el IETF (Internet Engineering Task Force), organismo encargado de la definición de la mayoría de los protocolos utilizados en Internet. La principal ventaja de este estándar se basa en el uso del protocolo IPv6, el cual actualmente ya está implementado en la mayoría de los dispositivos computacionales actuales (PCs, smartphones, tablets, servidores web…) lo que hace que pueda existir una comunicación directa con los dispositivos de la red de sensores y actuadores, por lo que se trata de auténticos dispositivos IOT (Internet Of Things).
Pila de protocolos
A continuación se detallan las principales características de los protocolos empleados (Figura 2) en la comunicación de los dispositivos desarrollados en el CeDInt-UPM:
- 802.15.4: Se trata de una especificación para la comunicación por radiofrecuencia y de control de acceso al medio definida por el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Se trata de una tecnología similar al extendido WiFi (802.11) pero específicamente diseñada para dispositivos de bajo consumo y una baja tasa de transmisión (envío de una menor cantidad de datos).
- 6LowPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks): Se trata de un conjunto de protocolos que proveen directividad y enrutamiento IPv6 para redes malladas de dispositivos inalámbricos.
- CoAP (Constrained Application Protocol): Se trata de un protocolo definido or el IETF para la transmisión de datos similar al protocolo REST (empleado en la mayoría de los servidores web) pero diseñado para elementos con una reducida capacidad de procesamiento.
- IPSO (IP for Smart Object): Es una recomendación del IETF definida para asegurar la interoperabilidad de dispositivos de control y automatización.
Topología de red
La topología de la red de dispositivos es de tipo mallada, es decir, cada dispositivo se comunica con sus vecinos más cercanos que retransmiten el mensaje hasta que este llega a su destino. Este tipo de topología permite una gran flexibilidad a la hora de incorporar nuevos dispositivos, ya que no es necesaria ninguna configuración específica, la propia red se adapta para la comunicación con este nuevo nodo. Otra ventaja de este tipo de topología es que permite alcanzar una mayor cobertura, puesto que cuantos más dispositivos haya en la red mayor será el alcance de la misma.
Implementación
Para la implementación del hardware se ha diseñado un pequeño módulo de comunicaciones básico denominado BatMote, el cual dispone de varios puertos con entradas/salidas a los cuales se les puede acoplar directamente los sensores/actuadores o bien diferentes placas con el hardware necesario para cada aplicación específica (medidor de consumos, multisensor, control de cargas, etc.).
En una primera fase se han desarrollado los siguientes dispositivos, cuya funcionalidad viene enfocada a la monitorización del comportamiento del edificio (consumos y parámetros ambientales) para poder evaluar la eficiencia energética en tiempo real:
- BatMeter: Se trata de un medidor de consumos reales (mide tensión e intensidad) para la medición en cuadro eléctrico de hasta 6 líneas usando pinzas amperimétricas.
- BatSense: Es un dispositivo alimentado por baterías para la monitorización de los parámetros ambientales de una estancia que mide temperatura, humedad relativa, nivel de luminosidad y detección de presencia.
- BatSwitch y BatPlug: Son una regleta de enchufes y un adaptador individual de enchufe respectivamente, que miden el consumo en cada carga permitiendo la conexión y desconexión de forma remota.
- BatStreetLighting: Dispositivo para el control de encendido/apagado y regulación de luminarias de exterior con sistema de detección de presencia.
Plataforma software de gestión: BATMP
El software desarrollado como elemento central no es un software de control de los dispositivos como tal, sino que se trata de una plataforma unificada (middleware) para la instalación de diferentes aplicaciones de control, por lo que se podría decir que actúa como un sistema operativo del edificio (Caffarel J. et. al, 2012).
Debido a que existen numerosas tecnologías de control y automatización, y que algunos sistemas de los edificios (climatización, iluminación, etc.) solo son controlables mediante alguna tecnología específica, BatMP ha sido diseñado con el objetivo de soportar múltiples protocolos, realizando una abstracción de las funcionalidades de cada dispositivo de modo que las aplicaciones puedan programarse de forma genérica independientemente de la tecnología que utilice cada dispositivo.
Arquitectura del software
Como se observa en la siguiente figura, la arquitectura del software se puede definir en tres grandes bloques:
- Gestor de tecnologías: Este módulo es el encargado de gestionar las diferentes tecnologías de control existentes en el edificio, para ello debe existir un driver que implemente la comunicación con los diferentes dispositivos y realice la abstracción a un modelo basado en parámetros genéricos (luminosidad, temperatura, on/off, etc.).
- Gestor del modelo: Una de las principales ventajas de disponer de un elemento central consiste en que se puede almacenar la información del edificio, los sistemas y dispositivos de este así como de los ocupantes. Para ello se ha implementado un sistema de almacenamiento de conocimiento (Knowledge Base) basado en el uso de una ontología para edificios inteligentes.
- Gestor de aplicaciones: Este bloque se encarga de la gestión de las aplicaciones (control de climatización, iluminación, seguridad, etc.) que se ejecutarán sobre los dispositivos del edificio, controlando el acceso a la información y datos en función de los permisos asignados, así como resolver posibles colisiones en la actuación sobre los dispositivos.
Ejemplo de aplicación: CLIMAPP
Una de las primeras aplicaciones desarrolladas por el CeDInt-UPM que utilizan el sistema Spatia es un sistema de control avanzado de los equipos de climatización de un edificio de oficinas denominado ClimApp (Gomez-Otero C. et. al, 2012).
Esta aplicación controla en tiempo real la temperatura de consigna, el modo de funcionamiento (calor, frio o ventilación), el encendido/apagado y nivel de ventilación en función del índice de confort térmico preferido por los ocupantes que se encuentran presentes en cada momento.
Para ajustar la temperatura de acuerdo al confort térmico se utilizan las medidas de temperatura y humedad relativa provenientes de los dispositivos BatSense instalados en cada despacho. Además la aplicación incorpora una sencilla web en la que cada usuario configura sus preferencias de temperatura así como su horario de trabajo.
Con esta información y junto al uso de varias técnicas de aprendizaje máquina, la aplicación es capaz de predecir el comportamiento térmico de cada espacio para optimizar el confort de los usuarios a la vez que se minimiza el consumo energético de los equipos. En las pruebas iniciales se ha obtenido una reducción en el tiempo de funcionamiento de los equipos superior al 40% de media respecto a un sistema de control convencional basado en programación horaria.
Conclusiones
Como se ha expuesto a lo largo de este artículo, la correcta aplicación de las nuevas tecnologías del área de las TIC permiten, actualmente, avanzar considerablemente hacia el objetivo de la implementación de edificios ‘realmente’ inteligentes.
En particular, el sistema desarrollado por el CeDInt-UPM (Spatia) persigue servir de plataforma para el sencillo desarrollo e implementación de los nuevos edificios inteligentes. Para ello, por una parte se reduce el coste y la complejidad de los elementos físicos necesarios mediante el uso de una red de sensores inalámbricos basados en IP (BatNet), mientras que además se ha desarrollado una plataforma software que permite unificar la creación de aplicaciones de control genéricas (ejecutables en diferentes edificios), con el claro objetivo de permitir a terceros el fácil desarrollo de las mismas.
Por último, se ha demostrado con una aplicación actualmente implementada en el propio edifico del CeDInt-UPM, la cual mejora tanto el confort de los ocupantes como la eficiencia energética del edificio, las posibilidades y ventajas que aporta el sistema propuesto en este artículo.
Referencias
- Caffarel, J., Jie, S., Olloqui, J. & Martínez, R., 2012, Bat-MP: An Ontology-Based Energy Management Platform, Lecture Notes in Computer Science, Ubiquitous Computing and Ambient Intelligence, Springer.
- Gomez-Otero, C., Martinez, R. & Caffarel, J., 2012 ClimApp: A novel approach of an intelligent HVAC control system, Information Systems and Technologies (CISTI), 2012 7th Iberian Conference on, vol., no., pp.1,6, 20-23.
- Kushalnagar, N., Montenegro, G. & Schumacher, C., 2007, IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs): Overview, Assumptions, Problem Statement and Goals., IETF RFC 4919