Propuesta de una Arquitectura IoT para el control domótico e inmótico de edificaciones

Abstract

In the particular case of domotics and immotics, the use of technologies associated with IoT allows the safety, control and automation of different types of buildings. In spite of the above, given the diversity of technologies and considering that the commercial systems used in this context make use of proprietary technologies that are costly to use in academic contexts, it is therefore necessary to design and build alternative IoT systems, supported by free hardware and software technologies that allow experimentation and the construction of value-added services. In this article we propose as a main contribution the reference architecture of an IoT system for building control, making use of free technologies. [...]a scale prototype obtained from the proposed architecture is presented Keywords: Architecture, automation, domotics, inmotics, IoT. 1.Introducción Internet de las Cosas (IoT) puede ser definido como la interconexión de objetos físicos o dispositivos en una red abierta y conformada por objetos inteligentes que tiene la capacidad de auto gestionarse, compartir información, datos y recursos, reaccionar y actuar frente a situaciones y cambios en el entorno (Naveen & Hedge, 2016) (Zambrano, Ortiz, Calderón, Zambrano, & Urquiza-Aguiar, 2019).

Headnote

Resumen: En la actualidad la temática de Internet de las Cosas (IoT) ha venido siendo difundida en diferentes contextos de aplicación. En el caso particular de la domótica e inmótica, el uso de tecnologías asociadas a IoT permite la seguridad, control y automatización de diferentes tipos de edificaciones. A pesar de lo anterior, ante la diversidad de tecnologías y considerando que los sistemas comerciales empleados en dicho contexto hacen uso de tecnologías propietarias que resultan ser costosos para usarse en contextos académicos, por lo que se hace necesario el diseño y construcción de sistemas IoT alternativos, soportados en tecnologías de hardware y software libre, que permitan la experimentación y la construcción de servicios de valor agregado. En este artículo se propone como principal aporte la arquitectura de referencia de un sistema IoT para el control de edificaciones, haciendo uso de tecnologías libres. Finalmente se presenta un prototipo a escala de la arquitectura propuesta.

Palabras-clave: Arquitectura, automatización, domótica, inmótica, IoT.

Abstract: At present, the Internet of Things (IoT) theme has been disseminated in different application contexts. In the particular case of domotics and immotics, the use of technologies associated with IoT allows the safety, control and automation of different types of buildings. In spite of the above, given the diversity of technologies and considering that the commercial systems used in this context make use of proprietary technologies that are costly to use in academic contexts, it is therefore necessary to design and build alternative IoT systems, supported by free hardware and software technologies that allow experimentation and the construction of value-added services. In this article we propose as a main contribution the reference architecture of an IoT system for building control, making use of free technologies. Finally, a scale prototype obtained from the proposed architecture is presented

Keywords: Architecture, automation, domotics, inmotics, IoT.

1.Introducción

Internet de las Cosas (IoT) puede ser definido como la interconexión de objetos físicos o dispositivos en una red abierta y conformada por objetos inteligentes que tiene la capacidad de auto gestionarse, compartir información, datos y recursos, reaccionar y actuar frente a situaciones y cambios en el entorno (Naveen & Hedge, 2016) (Zambrano, Ortiz, Calderón, Zambrano, & Urquiza-Aguiar, 2019). En la actualidad IoT ha sido aplicado a diferentes ámbitos de aplicación tales como: sistemas de alertas tempranas, seguimiento de variables fisiológicas en proyectos de salud, sistemas de agricultura de precisión, infraestructura de ciudades inteligentes, sistemas y aplicaciones para domótica, entre otros (Gutierrez-Ardila, Cubillos-Calvachi, Piedrahita-Gonzalez, MontenegroMarín, & Gaona-García, 2019) (Barrientos-Avendaño, Rico-Bautista, Coronel-Rojas, & Cuesta-Quintero, 2019). Gracias a los diferentes escenarios de aplicación en los que ha sido desplegado IoT, ha sido calificada por expertos como uno de los agentes que potencia el desarrollo de la industria 4.0, en conjunto con inteligencia artificial, la robótica, la impresión 3D y 4D, la nanotecnología, la biotecnología (Barrio, 2018).

Tal como se mencionó anteriormente, uno de los campos posibles de aplicación de IoT es en el desarrollo de sistemas domóticos e inmóticos en las llamadas edificaciones autónomas o inteligentes (Narváez, Yepes, Arciniegas, & Guerra, 2019), en las que los elementos que componen el sistema están conectados en red y pueden ser controlados para realizar acciones o enviar datos mediante el intercambio de información de unos objetos con otros, comunicándolos mediante M2M (Machine to Machine), el cual permite la comunicación máquina a máquina. Estas tecnologías aportan gran solución en el control, administración, seguridad y accesibilidad de las edificaciones, debido que implica que algunos objetos de la vida cotidiana puedan ser controlados y monitoreados remotamente, al tiempo que permitan un ahorro energético, impactando positivamente el ambiente y provocando un mayor confort en los usuarios (Marques & Pitarma, 2019). Estos sistemas además pueden llegar a controlar y/o informar un incidente de seguridad, facilitar tareas cotidianas en especial a las comunidades con alguna discapacidad y a los adultos mayores que viven solos o tiene que depender de otras personas para realizar tareas comunes (Delgado, Girón, Chanchí, & Marceles, 2019).

Para el desarrollo de sistemas IoT en el contexto de la domótica, existen diversas herramientas hardware y software de carácter propietario y libre, por lo cual es necesario escoger las herramientas más adecuadas que posibiliten la implementación de las diferentes capas de la arquitectura convencional de IoT (Delgado, Girón, Chanchí, & Marceles, 2019). A partir de lo anterior, en este artículo se presenta como aporte principal la propuesta de una arquitectura soportada en hardware y software libre, la cual pretende evaluar la factibilidad para el uso de estas tecnologías en cuanto a la implementación de sistemas domóticos e inmóticos, así como servir de referencia para la construcción de servicios en este contexto de aplicación. La arquitectura propuesta cuenta con una capa de datos, capa de interfaz, capa de acceso y capa de objetos, tomando como referencia las arquitecturas a cuatro capas empleadas en diferentes contextos de aplicación de IoT (Quiroga, Jaramillo, Campo, & Chanchí, 2017) (Delgado, Girón, Chanchí, & Marceles, 2019). La capa de datos se encarga de almacenar en tiempo real los datos enviados por las tarjetas Arduino que controlan el sistema, dichos datos se almacenan en la base de datos TINYDB Web, la cual implementa la capa de datos. La capa de interfaz fue diseñada sobre el sistema operativo Android y se encarga de proporcionar el control domótico y de visualizar los datos almacenados. La capa de acceso permite conectar los objetos con internet, para lo cual cuenta con una conexión Bluetooth que permite una comunicación bidireccional entre las tarjetas Arduino e Interfaz, la conexión Wifi permite enviar los registros a la base de datos en la nube. Finalmente, la capa de objetos implementa la arquitectura domótica descentralizada que conecta los sensores y actuadores con dos o más Arduinos mediante el protocolo I2C (Inter-Integrated Circuit).

De este modo la arquitectura propuesta pretende servir de referencia para el desarrollo de sistemas IoT enmarcados en la temática de domótica e inmótica, los cuales contribuyan a mejorar la seguridad y faciliten la automatización de tareas cotidianas en una edificación. El resto del artículo está organizado de la siguiente manera: en la sección 2 se presentan un conjunto de trabajos relacionados que se tuvieron en cuenta en la presente investigación; en la sección 3 se presenta el marco conceptual con los conceptos más relevantes que se tuvieron en cuenta para la arquitectura propuesta; en la sección 4 se describen las vistas y cada una de las capas propuestas en la arquitectura y sus respectivas tecnologías empleadas en la implementación de dichas capas; finalmente en la sección 5 se presentan las conclusiones y trabajos futuros derivados de la presente investigación.

2.Trabajos Relacionados

En esta sección se presentan un conjunto de trabajos que se tuvieron en cuenta para el desarrollo de la presente investigación.

En (Forero, 2016) se propone un sistema para el control lumínico y la detección de movimientos cerca de puertas y ventanas, así como también una aplicación móvil y una de escritorio para realizar el control y seguimiento remoto. Las aplicaciones fueron desarrolladas respectivamente en el sistema operativo Android y en el lenguaje Java. Estas aplicaciones permiten encender y/o apagar las luces, mientras que la App móvil recibe y almacena los datos de los sensores de movimientos que se colocan cerca de puertas y ventanas. Estos datos son enviados desde Arduino haciendo uso de un módulo bluetooth.

Del mismo modo, De Andrade y Pinzón (2013) proponen el desarrollo de un sistema domótico, enfocado en abrir y/o cerrar puertas, para ser implementado en un hogar o industria, al cual facilite la entrada y salida a diferentes puntos. En este proyecto se desarrolló un prototipo a escala del sistema propuesto controlado por un Arduino Uno, el cual recibe el dato enviado por el usuario a través de la herramienta hyperterminal alojada en un portátil o un computador de escritorio haciendo uso de una comunicación tipo bluetooth. Este sistema cuenta con un nivel de seguridad para el emparejamiento de los dispositivos y demuestra como este servicio puede ser de gran ayuda para las personas en estado de discapacidad.

Por su parte en (Mesa & Rojas, 2015) se propone un proyecto cuyo objetivo es diseñar, desarrollar e implementar un producto tecnológico para hogares basado en el monitoreo de redes de energía eléctrica integrado a una red de seguridad. Este proyecto fue desarrollado bajo el marco metodológico SCRUM y demuestra la viabilidad de implantación del sistema en el contexto del mercado colombiano.

De igual manera en (López, Marchena, Castellar, Jiménez, & Quintero, 2015) se propone un proyecto cuyo objetivo es implementar un dispositivo domótico para el control de la iluminación de forma remota desde una tableta, un móvil o un computador, usando el protocolo Zigbee. Este trabajo de investigación concluye después de analizar y comparar las características de varios dispositivos o tecnologías de comunicación, tales como: Bluethooth, Infrarrojo, x10 y Xbee, que el protocolo Bluetooth es más económico, fácil comercializar y además está al alcance de casi todos por el uso de teléfonos inteligente y su rango de hasta 50 metros.

Así mismo, en (Pérez & Fustillos, 2018) se presenta un sistema inmótico para el bloque 4 de la Universidad de las Américas de Quito-Ecuador. El proyecto tuvo por objetivo definir los requisitos, analizar y seleccionar las tecnologías inmóticas y de comunicaciones más apropiadas para dicho proyecto, para así diseñar la red inmótica que permitiera automatizar la seguridad y el control de la edificación.

Tal como se puede apreciar, en los anteriores trabajos se implementan sistemas de control que soportan un número limitado de dispositivos o se relacionan dichos sistemas solo para domótica o solo para inmótica. Es así como esta investigación se plantea integrar múltiples componentes de ambos mundos en una arquitectura IoT integrada, la cual permita un mayor control en las edificaciones, a partir del uso de hardware y software libre. Esta arquitectura pretende servir de referencia para la construcción de sistemas basados en IoT en diferentes contextos de aplicación. Finalmente, a modo de validación de la arquitectura, se presenta un prototipo derivado de la arquitectura y aplicado al contexto de la Facultad de Ingeniería de la Institución Universitaria Colegio Mayor del Cauca.

3.Marco conceptual

En esta sección se presentan un conjunto de conceptos y tecnologías, las cuales se tuvieron en cuenta para el desarrollo este trabajo. Dentro de estas se encuentran: IoT, domótica e inmótica y arquitectura descentralizada para domótica.

3.1. Internet de la cosa (IoT).

Se refiere a la interconexión de objetos cotidianos con internet. IoT está conformado por múltiples tecnologías, como sensores, controladores que permiten procesar la información, aplicaciones móviles, web o de escritorio que brindan control del sistema a los usuarios, protocolos de comunicación y almacenamiento de datos (Quiroga, Jaramillo, Campo, & Chanchí, 2017). En la actualidad no se ha evidenciado la existencia de una arquitectura estándar de IoT, pero se abarcan tecnologías de comunicación, dispositivos de cómputo, sensores y actuadores (Cera, Martínez, Rojas, Villaveces, & Sanmartín, 2015).

3.2. Domótica e Inmótica

La domótica está asociada al concepto de vivienda inteligente y agrupa un conjunto de sistemas y tecnologías electrónicas e informáticas capaces de automatizar y controlar una vivienda. Su objetivo es generar mayor confort, seguridad, bienestar y facilitar el control por medio de una red de interconexión de los objetos que componen una edificación (Flórez, 2004). La inmótica está asociada al concepto de edificio inteligente, el cual experimenta un crecimiento importante en los últimos años el cual según CEDOM (Asociación Española de Domótica) y se define como la incorporación de edificios singulares o privilegiados, comprendidos en el mercado terciario e industrial en sistemas de gestión y automatización de las instalaciones. La inmótica está orientada a grandes edificaciones como: hoteles, centros educativos, oficinas, centros comerciales y en si edificaciones no residenciales, teniendo como objetivo la seguridad y el control eficiente fundamentado en 4 pilares según el CEDOM (Asociación Española de Domótica): control energético, seguridad, confort y comunicación (Carrillo-Caicedo & Peña, 2008).

3.3.Arquitectura descentralizada

La arquitectura descentralizada (ver Figura 1) cuenta con varios controladores interconectados por un bus, el cual envía información entre dichos controladores, los actuadores e interfaces según su programación, la configuración y la información que recibe de los sensores y usuarios (Pérez, Karina, Chimborazo, Edison, 2018).

4.Propuesta de la Arquitectura IoT del Sistema

En esta sección se presenta la arquitectura del sistema IoT propuesto, la cual está conformada por cuatro capas: capa de datos, capa de interfaz, capada de acceso y la capa de objetos que integra los controladores, actuadores y sensores (ver Figura 2).

Esta arquitectura presenta 2 vistas: vista de funcional en la cual se describen las capas funcionales de la arquitectura y la vista de implementación donde se presentan las tecnologías de hardware y software libre que se utilizaron para la implementación de prototipo de la arquitectura. Las vistas propuestas en la arquitectura presentada en este artículo, adaptan las ideas de capas y vistas arquitectónicas para sistemas IoT propuestas por (Quiroga, Jaramillo, Campo y Chanchí, 2017; Delgado, Girón, Chanchí y Marceles, 2019).

4.1.Vista funcional

En la figura 3, se observan los diferentes módulos funcionales que componen las capas de la propuesta arquitectónica. La capa de datos se encarga del almacenamiento, captura y consulta de los datos recolectados en la capa de captura (sensoresmicrocontroladores). En la captura, los datos son obtenidos desde la capa acceso, la cual recibe los datos de los sensores y actuadores vía bluetooth, para posteriormente mostrarlos en la capa de interfaz y de ahí sean capturados para ser enviados vía Wi-Fi a la base de datos para su almacenamiento. En la consulta, los datos son consultados desde la base de datos para ser enviados vía Wi-Fi a la capa de interfaz y ser mostrados en la ventana "ver datos".

La capa de acceso se encarga de transmitir los registros entre la capa de datos, la capa de objetos y capa de interfaz. En la interacción con la capa de interfaz, se encarga de enviar y recibir datos para ser mostrados o enviarlos desde la interfaz de usuario. En la interacción con la capa de datos, esta se encarga de enviar o consultar los datos vía wifi y en la interacción con la capa de objetos, recibe los datos de los sensores desde los microcontroladores vía bluetooth. De igual manera, se encarga de enviar las acciones requeridas por el usuario al microcontrolador para que los actuadores cumplan la acción del usuario sobre el sistema.

La capa de interfaz se encarga de brindarle al usuario la interacción con todo el sistema, permitiéndole consultar los registros almacenados en la base de datos. De igual manera, le permite a éste recibir en tiempo real los datos enviados por los sensores y actuadores desde los microcontroladores y finalmente le da al usuario control sobre las luces permitiéndole prender o apagar las luminarias.

La capa de objetos por su parte se encarga de enviar datos o recibir órdenes vía bluetooth desde y hacia los microcontroladores (tarjetas Arduino), para que éstos lean los datos de los sensores u ordenen a los actuadores cumplir la respectiva función.

Las funciones descritas anteriormente para cada una de las capas propuestas en esta arquitectura y su interacción con las demás capas se presentan en los diagramas de flujo de las figuras 4 y 5, donde se describen las secuencias funcionales de la arquitectura IoT para el control domótico e inmótico para edificaciones.

4.2.Vista de implementáción

En la vista de implementación se muestran los componentes de hardware y software del sistema propuesto, en los cuales se presentan los diseños de la App y el circuito. En la figura 6, se observan las tecnologías empleadas en cada una de las capas propuestas en la arquitectura descrita en el presente artículo.

Se observa en la parte inferior de la figura 6, la capa de objetos donde se ubican los microcontroladores encargados de comunicarse con los sensores y actuadores ya sea para recolectar datos y/o ordenar a los actuadores cumplir su respectiva función. Es así como en la tarjeta Arduino Mega se implementa un módulo bluetooth encargado de comunicarse inalámbricamente con la capa de acceso que se encuentra ubicada en la parte derecha. Dicha capa tiene por función mostrar en tiempo real los registros recolectados en la capa de interfaz ubicada en la parte izquierda. En la capa de interfaz por su parte está desplegada una aplicación desarrollada para el sistema operativo Android, la cual muestra los registros y permite realizar operaciones de control lumínico. Finalmente, dichos registros son enviados vía Wi-Fi a la capa de acceso, la cual se encarga de remitir los registros recolectados a la capa de datos, en la cual se almacenan en la base de datos en línea TinyDB Web.

4.2.1. Capa de objetos

En este trabajo se implemento la arquitectura descentralizada, usando el protocolo I2C cuya función es controlar las tarjetas Arduino Nano. Esta tarjeta a su vez controla el sensor RFID-RC 522 y dos servos motores SG-90, encargados de realizar el control de acceso a la instalación. Cuando se da acceso a las instalaciones un led verde se enciende y al cerrar el led rojo se acciona hasta próxima apertura.

También se utiliza la tarjeta Arduino Mega, la cual permite la comunicación con el resto de la arquitectura a través del módulo bluetooth HC-06, el cual cuenta con nombre y contraseña configurado mediante comandos AT para obtener una seguridad básica en el sistema. De igual manera los sensores utilizados son el PIR HC-SR501, encargado de captar los movimientos de una de las salas de las instalaciones, sensor ultrasónico HC-SR04 y un servo motores SG-90 encargados de la apertura automática de una de las puertas internas, y bombillos LED como prototipos de las luminarias. Los sensores, actuadores y sistemas embebidos mencionados anteriormente fueron elegidos por ser herramientas de hardware libre que también son de bajo costo, lo cual permite que la arquitectura sirva de referencia para ser implementada en diferentes entornos de aplicación.

4.2.2. Capa de acceso

Para establecer conexión con las demás capas de la arquitectura propuesta se hizo uso de las tecnologías Bluetooth y wifi. Dichas tecnologías son accedidas desde el dispositivo que controla el sistema, para lo cual, el usuario debe encender su Bluetooth y wifi. Bluetooth es el protocolo que permite comunicarse con la capa de objetos para recolectar los datos. wifi permite enviar los datos obtenidos desde los sensores para ser almacenados en la base de datos web.

4.2.3. Capa de interfaz

En la figura 8, se observa la interfaz gráfica de usuario desarrollada para dispositivos Android desde el IDE App Inventor. Esta aplicación le permite al usuario tener control lumínico de una edificación usando botones de apagado y encendido. De igual manera permite recolectar los datos obtenidos del sensor de movimiento casi en tiempo real. Dichos sensores proporcionan seguridad a la edificación detectando la presencia de objetos o personas en ella. Finalmente, la App cuenta con una ventana de visualización de datos que muestra los registros almacenados.

4.2.4.Capa de datos

Para la implementación de la capa de datos propuesta en esta arquitectura, se seleccionó el gestor de bases de datos de TinyDB Web, el cual ofrece una prestación demo que almacena máximo 250 entradas (al agregar más entradas se van borrando los registros antiguos). Se considero este servicio demo para el prototipo, pero se puede implementar servicios de mayor capacidad y características adicionales ejecutando su código fuente en Google AppEngine.

4.3.Prototipo a escala del sistema

En la figura 9 se presenta un prototipo a escala derivado de la arquitectura propuesta en este artículo, el cual está inspirado en la sede Bicentenario del Colegio Mayor del Cauca. En esta figura, se observa la puerta principal la cual abre de manera automática gracias a los servos motores verificando quien puede ingresar a las instalaciones haciendo uso del lector de tarjetas RFID y mediante una alarma visual (led rojo y led verde), donde se indica la apertura y cierre de las puertas. Al interior de ésta se encuentra otra puerta automática que se acciona usando un sensor ultrasónico que permite abrir la puerta cuando un objeto se acerca. También se tiene un sensor de presencia, el cual detecta los objetos en movimiento en dicha instalación para ser almacenados en la base de datos. Finalmente, los leds son apagados y/o encendidos desde la aplicación móvil por parte de la necesidad y/o requerimiento del usuario.

Cabe mencionar que durante el diseño e implementación de la arquitectura, se presentaron inconvenientes con el bluetooth debido a que su alcance es muy corto, lo cual afecta la comunicación entre las diferentes capas y/o componentes del sistema. Por esta razón se concluye que como trabajo futuro el sistema debe contar con conexión de red wifi que permita un rango más amplio de funcionamiento con el cual el sistema reduciría tiempos de respuesta y mayor alcance de comunicación entre los diferentes componentes.

5.Conclusiones y trabajos futuros

En este artículo se propuso como aporte una arquitectura IoT que puede ser considerada para el desarrollo de proyectos en el contexto de la domótica y la domótica. La arquitectura consta de cuatro capas (capa de objetos, capa de acceso, capa de datos y capa de interfaz) partiendo de las arquitecturas convencionales de IoT en otros contextos de aplicación y fue presentada mediante dos vistas, la vista funcional y la vista de implementación. La intención de la arquitectura es que sirva para generar instancias de sistemas que puedan contribuir con el control y automatización en las edificaciones.

Las herramientas y tecnologías de hardware y software libre consideradas demostraron ser adecuadas y pretenden servir de base para la construcción de prototipos en el área de la domótica y la inmótica. Así mismo, estas herramientas y tecnologías pueden ser empleadas en proyectos asociados a diferentes contextos de aplicación.

Adicionalmente, como trabajo futuro, se pretende agregar más componentes al sistema para obtener mayor confort, seguridad y control sobre las edificaciones, de tal modo que se integren alarmas contra incendios, cámaras de seguridad, se mejore la potencia para los Arduinos y se haga uso de sistemas embebidos de mayor capacidad. De igual modo, se pretende mejorar la base de datos para el almacenamiento y reconocimiento de los Tags RFID, con el fin de permitir que se muestre un mensaje de bienvenida a los usuarios de la edificación a través de una pantalla LCD.

References

Referencias

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