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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PACHUCA

Protocolo de investigación. "Diseño e Implementación de un Sistema de Control y Adquisición de Datos Gestionando la Energía Eléctrica Utilizando el Protocolo I2C para El Aula C-6” Presenta Carranza Barrios Adrian. Escobar Chávez Rubén Isaí. Manzano Rosas José Rodolfo. Pelcastre Cruz Hugo. Asesor: Ing. Acosta Montiel Guillermo Revisor Morales Jiménez Francisco.

Taller de investigación II.

PACHUCA DE SOTO, HGO SEPTIEMBRE 2018 19 PÁGINAS

Resumen. Implementar un controlador para procesar datos recibidos desde distintos sensores para controlar la iluminación por medio de un contador de ocupantes en el área, aplicado inicialmente a un prototipo. Esto se logra mediante el protocolo I2C a base de comunicación serial, que llegan a los distintos módulos del sistema y lograr el control de lámparas, según la cantidad de ocupantes y un sensor de luz de día. El usuario no tendrá necesidad de manipular las luminarias del habitad. Con el fin de no generar consumos innecesarios de energía eléctrica; evitando producir perdidas de energía. Para ello se va a utilizar el protocolo I2C para controlar iluminación, siendo esto nuestro principal inconveniente el consumo de energía eléctrica. Dando como resultado un espacio libre consumos innecesarios, y amigable para el medio ambiente.

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Tabla de contenido. Resumen.......................................................................................................................................1 Introducción.................................................................................................................................. 4 Marco teórico................................................................................................................................5 Hipótesis....................................................................................................................................... 7 Objetivo.........................................................................................................................................7 Materiales y Métodos....................................................................................................................7 Monto solicitado y su Justificación............................................................................................... 9 Cronograma..................................................................................................................................9 Participantes y su Función......................................................................................................... 10 Bibliografía..................................................................................................................................13

Introducción. Teniendo como concepto fundamental al sistema de control y adquisición de datos gestionando la energía eléctrica, se sabe que es Conjunto de técnicas orientadas a automatizar un habitad, que integran la tecnología en los sistemas de seguridad, gestión energética, bienestar o comunicaciones. Para lograr esto es necesario utilizar el protocolo I2C que es un bus con múltiples maestros, lo que significa que se conecten varios chips al mismo bus y que todos ellos van a actuar como maestro, sólo con iniciar la transferencia de datos. [23,15] Si se desea el control de las luminarias del aula 6 en el módulo C es necesario la aplicación de conocimientos de electrónica de potencia para controlar el encendido y apagado de las luminarias; esto por medio de un módulo de tiempo “Reloj DS3231” para que su energización sea en horas especificas del día, tomando en cuenta si se existen personas dentro del aula, esto lo sabremos con un censado de personas por medio de infrarrojo en el marco de la puerta. Para demostrar la eficiencia del proyecto se toman los datos de la corriente con un modulo “ASC 7121” y se transmiten vía wifi por medio del módulo de “Wifi Iot Esp8266 Cp2102”. Para la parte de potencia utilizaremos un optoacoplador “MOC3011” seguido de un triac “BTA06” porque es un dispositivo que soporta más conmutaciones que un relevador. [24,30] El concepto de casa inteligente es entendido como la integración de las nuevas tecnologías al espacio arquitectónico, busca aportar al usuario una mayor calidad de vida. Esta integración se manifiesta a través de una mayor funcionalidad, un mejor control y asistencia técnica, disminuyendo el consumo energético y los gastos de mantenimiento. Para asegurar esto, los sistemas instalados serán capaces de permitir y realizar las siguientes tareas: control de energía, acondicionamiento ambiental e iluminación. Estos sistemas contemplan el tratamiento y la solución de la problemática del hogar que es: [2,7,9]. 1. Consumos

eléctricos

muy

diversos,

según

las

distintas

horas

del

Para esta tarea los sistemas instalados contarán con los sensores y actuadores correspondientes (control de accesos, energía e iluminación), los controladores adecuados que interaccionarán con el personal correspondiente. En otro orden de palabras, esta tecnología al hogar está siendo una de las expresiones que más se relacionan con el progreso en los últimos años, sin embargo, este concepto no sería del todo cierto. El concepto de casa inteligente sí que es relativamente reciente, sin embargo, no es la tecnología, que este concepto conlleva, lo que es reciente (salvo algunas excepciones), sino la aplicación de dicha tecnología que esta palabra lleva en su significado. Aplicación de la tecnología y la automática a la vida doméstica.

día.

La evolución hacia el concepto de casa inteligente proviene de la disgregación en dos conceptos diferentes, de lo que se ha llamado durante mucho tiempo "Edificios Inteligentes". Por un lado, se tienen los llamados Sistemas de Gestión de edificios. Estos sistemas "gestionan" y dirigen las acciones y consumos, proporcionando informes detallados de consumos y ahorros, priorizando unos automatismos sobre otros, y "gestionando" toda la vida "automática" en el edificio. Esto puede llegar a hacer sentir a los habitantes del edificio que están viviendo con alguien más, con el "gestionador", que no les permite hacer "esas cosas prohibidas", es decir, se corre el riesgo de deshumanizar algo tan privado como es la vida doméstica. Por otro lado, están los llamados Sistemas de Control, estos sistemas están enfocados más hacia el control de los automatismos, pero el control por el usuario, no por un software o algo similar. El usuario noto que tiene el control, y ese control lo ejerce mediante el sistema, para ahorrar o derrochar, "yo controlo yo decido". Se va a hacer que una luz se encienda al abrir la puerta, se bajen las persianas y se apague la calefacción cuando activo la alarma al salir de casa, pero todo ello porque yo quiero, no porque el sistema quiera. En la actualidad, los Sistemas de Control Y Adquisición De Datos Gestionando La Energía Electrica y sus productos recorren toda la gama de posibles controles. Desde el control puntual de un sistema (por ejemplo, el control de la calefacción) hasta el control completo de una gran mansión, con un sistema capaz de comunicarse vía internet con una PC en cualquier lugar del mundo [1,5,7].

Marco teórico. La domótica generalmente se refiere a la automatización del hogar y de las actividades asociadas con el hogar. Incluye un control automático de iluminación y persianas, HVAC (heating ventilanting and air conditioned) (calefacción, ventilación y aire acondicionado), electrodomésticos y dispositivos electrónicos, sistemas de seguridad que incluyen alarmas y cerraduras, cuidado de la salud, sistema de rociadores, alimentación de mascotas, plantas de interior, sistemas de piscinas, entre otros sistemas que se visualizaran encontrar en un hogar. [1,2], Algunas de estas actividades son simples, como encender una luz en una habitación a la misma hora todos los días, mientras que otras han ser mucho más complejas, como detectar la presencia de una persona en una habitación, ajustar la iluminación, la temperatura y la música. Los sistemas de automatización del hogar también logran proporcionar una mayor calidad de vida para las personas mayores y discapacitadas que de otro modo requerir que los cuidadores les ayuden a llevar a cabo actividades en el hogar o, en algunos casos, incluso requieran atención institucional.[29,10]

Los elementos de un Sistema de control y adquisición de datos gestionando la energía eléctrica integran incluir sensores, como sensores de temperatura, sensores de luz, sensores de humedad, sensores de CO2, detectores de movimiento, detectores de humo y otros; actuadores que incluirán válvulas electrónicas, interruptores, relés y motores; y un controlador que a de ser un controlador centralizado y / o múltiples dispositivos inteligentes instalados en el hogar. El controlador tiene la posibilidad de reprogramarse para controlar los actuadores que responden a la información recibida de los sensores, o han de aprender a controlar los actuadores asociando interacciones humanas en tiempo real con el sistema con información recibida de los sensores. Se ha requerir uno o más dispositivos de interfaz hombre-máquina para que los residentes del hogar si quieren interactuaran con el sistema para monitoreo y control. Los dispositivos de interfaz o incluir un terminal especializado, o ser un dispositivo computarizado que tiene capacidades de visualización tales como una computadora personal o una computadora portátil, o incluir una aplicación que se ejecuta en un teléfono inteligente o tableta. La comunicación entre los diferentes elementos del sistema de domótica deberse a un cableado dedicado, una red cableada, una red inalámbrica o una combinación de cualquiera de los primeros. [22,44] Un sistema de domótica que incluye múltiples dispositivos inteligentes distribuidos alrededor del hogar se describe en la patente de los EE. UU. No. 6,865,428 B2, "MÉTODO Y APARATO PARA PROPORCIONAR UN CONTROL DISTRIBUIDO DE UN SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN PARA EL HOGAR" a Gonzales et al. En ella se describe "un método y un aparato para proporcionar control distribuido de un sistema de domótica. Cada dispositivo que participa en un Sistema de control y adquisición de datos gestionando la energía electrica está equipado con lógica de control para proporcionar control distribuido. A través de la lógica de control, cada dispositivo mantiene definiciones de escena que describen el estado del dispositivo para cada escena en la que participa. [11,20] Cuando cualquier dispositivo en el sistema recibe una solicitud para iniciar una escena, como un botón presione en uno de los dispositivos, el dispositivo transmite un mensaje de cambio de estado de escena a todos los dispositivos dentro del sistema de automatización del hogar. El mensaje de cambio de estado de la escena identifica a cada dispositivo una escena particular que debe iniciarse. Cada dispositivo en el sistema recibe el mensaje y determina si el dispositivo es un participante en la escena. Si el dispositivo participa en la escena, el dispositivo ajusta su estado de acuerdo con una definición de escena almacenada en el dispositivo asociado con la escena. El dispositivo ajustara una carga eléctrica controlada, como una luz, de acuerdo con la definición de escena, al encender o apagar la carga o al ajustar la carga a algún valor intermedio”. Los sistemas de automatización del hogar sera de autoaprendizaje e incluir un controlador que, en función de los cambios ambientales, asi tomar decisiones de

forma autónoma con respecto a la supervisión y el control de las condiciones en una o más habitaciones dentro de una casa. Tal sistema de domótica se describe en la Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos Nº US 2012/0310415 A1, "PANEL DE CONTROL PARA SISTEMA DE CONTROL Y SISTEMA DE CONTROL", para Raestik et al. En ella se describe "un panel de control y un sistema de control para ajustar las condiciones ambientales de al menos una ubicación, en donde la ubicación tiene las condiciones ambientales deseadas. El sistema comprende equipos controlados por medios de control para cambiar y / o mantener la condición ambiental de las ubicaciones. El medio de control está adaptado para proporcionar parámetros de control a los equipos para ajustar la condición ambiental de dicha ubicación. El sistema incluye un panel de control incluido [3], [4], [5], [9] Benchmarking. Métodos de comunicación * CARAC USART TERISTICAS Nombre Universal Asynchronous Completo Receiver/Transmitter

SPI

I2C

Serial Peripheral Interface

Inter-Integrated Circuit

Comunicación UART TxD: Transmisión de datos. RxD: Recepción de datos.

Comunicación SPI SCLK: Reloj Serial MOSI: Salida de maestro, entrada de esclavo. MISO: Entrada del maestro y salida del esclavo. SS: Selector de esclavo.

Comunicación I2C SDA: Datos SCL: Reloj Seria

Velocidad de Datosº

LA comunicación máxima puede ser entre 230Kbbs a 460kbb

Normalmente soporta entre 10Mbbs a 20Mbbs

Hasta 3.4Mbbs algunas variantes logran llegar a 1Mbbs

Distancia

Menos de 15 metros

Tipo

Asincrona

Esta pensada para comunicaciones dentro de la placa. Sincrona

Igual que la anterior, comunicaciones dentro de la placa. Sincrona

Diagrama

Designación de Pines

comunicación Coplejidad del Hardare Numero de Masters Reloj

poco.

Media

bastante, según los maestros. Varios

No hay masteres.

Uno

Cada dispositivo usa el suyo interno.

Una señal de reloj entre master y esclavo.

Protocolo

8bits con un bit de start y un bit de stop.

Cada compañía usa su propio protocolo.

Direccionamient o de Software

La comunicación es entre dos dispositivos, no es necesario.

Se usa el SS (SS1, SS2…) para seleccionar que dispositivo, cuantos más dispositivos más salidas SS necesitamos.

Ventajas

Muy simple, permite conectar de forma rápida dos dispositivos, suele usarse con RS232 o RS485 por ejemplo.

Una señal de reloj común entre múltiples masters y esclavos. Usa un bit de start y otro de stop, un bit de acuse de recibo (ACK) cada 8 bits. Todos los maestros tienen la capacidad de comunicarse con todos los esclavos, hay la posibilidad colocar 27 esclavos y colocar la dirección en el protocolo I2C.



Simple.



Más de un maestro.



Dispone de comunicación full duplex.



Solo necesita dos cables para la comunicación.



Es más sencillo que SPI, al necesitar menos líneas.



Concepto de colector abierto



Tiene control de flujo.





SPI usa pushpull y gran velocidad de datos. Requiere menos energía que I2C

Desventajas

CARAC TERISTICAS Nombre Completo



Esta limitado a la comunicación entre dos dispositivos.



Cuanto más esclavos, más conexiones se necseitan.



La velocidad se debe acordar al principio de la conexión en caso de no ser la misma dará lecturas erróneas.



Añadir un dispositivo requiere una conexión adicional.



No hay control de flujo.



Se incrementa la complejidad del circuito cuando aumentan los masteres y los esclavos.



I2C es half duplex



El software ha de sobrecargar el procesador.

X-10

PLC

EIB

I2C

Protocolo X10

Power line Communication

European Installation Bus

Inter-Integrated Circuit

Velocidad de Datosº

La transmisión de información se realiza con una velocidad de 120khz

La velocidad es de hasta 45 Mbit/s conectar hasta 256 módems PLC.

Hasta 3.4Mbbs algunas variantes logrando llegar a 1Mbbs

Distancia

Menos de 300 metros

Para RF 300 mts a campo abierto

La transmisión de la información es una tasa de 9600 bps. Menos de 300 metros

Tipo comunicación Coplejidad del Hardare

Sincrona

Ethernet

Asincrona

poco.

1 solo mando

Numero de Masters

No hay masteres.

Varios, según la cantidad de equipos a conectar

bastante, según los maestros. Varios

Diagrama

Igual que la anterior, comunicaciones dentro de la placa. Sincrona bastante, según los operadores. Varios, según la cantidad de equipos a conectar

Reloj

Cada dispositivo usa el suyo interno.

Una señal de reloj entre master y esclavo.

Una señal de reloj común entre múltiples masters Protocolo EIB CSMA/CA

Una señal de reloj entre master y esclavo.

Protocolo

Protocolo X10

EIB.TP

Costo promedio con el mismo fin

Controlador y conmutador $1395 Controlador a radiofrecuencia $3384 Total $4779

Controlador $1450 Total, varia si el ususario cuenta o no con internet en su casa

philips hue stand alone $1322 philips hue white $1695 Total $3017

Control de iluminación automática y datos por wifi $620 Total $620

Ventajas

Fácil de usar Protege al hogar y la familia Añade valor a la propiedad Ahorro de energía Inversión protegida Visión de futuro

La comodidad de las casas inteligentes es óptimo, y se logra a través del control del medio ambiente interno con la programación de horarios específicos para equipos de climatización, iluminación, etc.

Más de un maestro. Solo necesita dos cables para la comunicación. Es más sencillo que SPI, al necesitar menos líneas. Concepto de colector abierto Tiene control de flujo.

Esta limitado a la comunicación entre dos dispositivos. La velocidad se debe acordar al principio de la conexión en caso de no ser la misma dará lecturas erróneas.

Al ser el internet su principal medio de comunicación se expone al sistema a ser invadido por algún software malicioso contribuyendo a la manipulación y monitoreo sin permiso por el usuario principal.

Posibilidad de usar dispositivos de distintos fabricantes. Proyecto e instalación sencilla Reducir el riesgo de incendio en la vivienda. Reducir el coste de la instalación cuando el bus y la línea se lanzan a la vez. Facilita una posible ampliación del sistema. Costo elevado Mayor cableado Mayor material a utilizar Velocidad de datos baja

Desventajas

I2C

Se incrementa la complejidad del circuito cuando aumentan los masteres y los esclavos. I2C es half duplex El software puede sobrecargar el procesador.

Precio 800 700 600 500 400 300 200 100 0 A EG M AT

741

145 6 8 31

25

24

60

110

50

105

125

115

S JE IA 02 66 21 TO er TO TA 71 13 82 NC gg L EN c N E I J o p E l T VO M LO as a es E PO IE GM RE at f lo D V E A i D u S O R IC W 7 M ód DO Y E ON M A A R D L T O UL SP EC SR EG DI EL N R SE R LD

l ta To

Precio

De acuerdo a la información del Benchmarking se eligió utilizar el protocolo de comunicación I2C ya que a diferencia de los demás protocolos de comunicación, su arquitectura permite tener una confirmación de los datos recibidos, dentro de la misma trama, este, cabe mencionar que además incluye del byte de información, una dirección tanto del registro como del sensor, además incluye más bits en su trama de comunicación que permite enviar mensajes más completos y detallados a una velocidad aceptable, de unos 100 Kbits por segundo, además que comparado con otros protocolos de comunicación, el protocolo de comunicación I2C es más económico.

Problemática El 21 de diciembre de 1971 se dio por comenzadas las labores del instituto tecnológico de Pachuca, así como la construcción de algunos de sus módulos, siendo de los primeros en construirse el actual modulo C; tomando especial atención

al tipo de luminarias de esa época, se especula que se utilizaban lámparas de 38W siendo un total de 16 lámparas, sabemos que su consumo es 0.61 kWh. Dadas las actuales actualizaciones en cuanto a tecnología se cambian el antiguo tipo de lámparas por LED reduciendo su número a la mitad y con un consumo de 13.97W por unidad se tiene un consumo de 0.01 kWh. A pesar de la reducción considerable del consumo de energía eléctrica, Se ha observado que en los módulos C, H y X del Instituto Tecnológico de Pachuca. en particular el modulo C; al que vamos se sometio a observación para integrar el Sistema de control y adquisición de datos gestionando la energía eléctrica. al medio día algunas aulas están vacías, con las lámparas energizadas; lámparas de la marca YULED T8 de 18w (13.97W medidos), teniendo un total de una lámpara instalada por cada gabinete contando con ocho en total y con la posibilidad de instalar una más por gabinete dando un total y 111.76W(0.88A), siendo aproximadamente 9 horas de uso innecesario habla de un consumo innecesario de 0.11kWh

Objetivo. "Diseño e implementación de un Sistema de control y adquisición de datos gestionando la energía electrica utilizando el protocolo I2C para el aula C-6”

Materiales y Métodos. Control de Iluminación Método. Pasos para llevar a cabo el proyecto de ingeniería, se va a programar la placa Arduino Uno con el microcontrolador ATMEGA328p desmontable, arduino es una compañía de fuente abierta y hardware abierto, y será programado mediante un computador, usando comunicación serie. Con ayuda del módulo de reloj DS3231, se obtiene la información por comunicación I2C, con este módulo se va a programar el arduino para que las lámparas se apaguen a cierta hora, así evitar gastos innecesarios de energía. Además de implementar sensores infrarrojos que detecten personas, en la entrada se colocararán dos pares, para detectar cuando las personas salen o entren y además si es una hora adecuada encender las luces. Además de esto supervisara el consumo de corriente con ayuda del sensor de corriente ACS7121 el cual mide corrientes de +- 5 A, para saber cuándo están activadas o no las luminarias, esta información será transmitida vía wifi con el módulo ESP8266. Con esto saber si las luces están apagadas o no sin necesidad de estar presentes. El circuito aislara la parte de control de la parte de potencia por medio de opto-triac, además de esto las luminarias se energizarán y des energizaran con ayuda de un triac (BTA06) el cual debe soportar la corriente nominal de las 8 luminarias. Una vez desarrollado este circuito el microcontrolador ATMEGA328p se desmontará de su placa original, para así montarlo en una placa personalizada de acuerdo a nuestras demandas

Materiales. 1 Microcontrolador ATMEGA318 1 LDR 1

Modulo acs7121

1

Circuitería asociada a electrónica de potencia.

1

Módulo para comunicación I2C

2 Par de sensores infrarrojos 1 Sensor de movimiento. 1 Reloj 1302 1 Regulador de voltaje CA-CD. 1 Wifi Iot Esp8266 Cp2102

Monto solicitado y su Justificación. Concepto Control de Iluminación. Mano de Obra Adquisición de Literatura. Total

Mont o. 741.0 0 400.0 0 260.0 0 1401. 00

Componente Precio ATMEGA318 145.00 LDR 6.00 ELECTRONICA POTENCIA 25.00 DISPLAY 7 SEGMENTOS 24.00 SENSRO DE MOVIEMIENTO 60.00 RELOJ 1302 110.00 REGULADOR DE VOLTAJE 50.00 Wif esp 8266 105.00 Data logger 125.00 Módulo asc7121 115.00 Total 741.00

Cronogr ama.

Un cronograma hecho para la representación gráfica y ordenada con tal detalle para que el conjunto de funciones y tareas que se llevan a cabo en un tiempo estipulado y bajo unas condiciones que garantizaron la optimización del tiempo para la realización de este proyecto

Participantes y su Función. PARTICIPANTES FASE 1: Carranza Barrios Adrian.

Manzano Rosas José Rodolfo.

FASE 2: Escobar Chávez Rubén Isaí.

Pelcastre Cruz Hugo.

FUNCIÓN EN DICHA ETAPA DEFINICIÓN DE LA SITUACIÓN/PROBLEMA Planear el tiempo, los espacios y las fases de la investigación utilizando libros, sitios web y bitácoras para la investigación. Determinar el proceso de investigación Revisión teórica, tesis, investigación cualitativa. Utilizando libros del ámbito de las prácticas profesionales. Ver patentes del tema selecto. TRABAJO DE CAMPO Recolectar información por medio de estrategias y técnicas. Revisar proyectos ya finalizados y registrados como patentes. Utilizando diarios de campo, entrevista semiestructurada a expositores, laptop y sitios web. Procesar, chequear, organizar y limpiar la información, también liderar el proceso de la información. Realizar mapas, utilizando Mendeley, Mapas conceptuales en Mindmanager e internet.

FASE 3:

Carranza Barrios Adrian.

Escobar Chávez Rubén Isaí.

Manzano Rosas José Rodolfo.

IDENTIFICACION DE PATRONES CULTURAES "SISTEMATIZACIÓN Y ELABORACIÓN DEL DOCUMENTO FINAL" Procesar, Interpretar, analizar y conceptualización de datos, analizando la información que se recolecto. Y Construcción de mapas de integración. Utilizando un diario de campo, mapas conceptuales y entrevistas semiestructuradas, Discutir, cotejar, analizar, interpretar y conceptualizar la información que se obtuvo de los procesos para así construir mapas conceptuales más concretos del protocolo Conceptualización de los sistemas, identificando los sistemas sociales y culturales.

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