proyecto oscar

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL Y ACCESO REMOTO EMPLEANDO TECNOLOGÍA POWER LINE COMMUNICATION

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A CONTROL AND REMOTE ACCESS SYSTEM

USING POWER LINE COMMUNICATION TECHNOLOGY Univ. Bernardo Daniel Soberalt1 Ing. Remmy Fuentes Telleria2 RESUMEN Power line communication o comunicación a través de la red eléctrica de baja tensión. Es una tecnología capaz de transmitir información entre dos o más dispositivos a nivel domiciliario, comercial o industrial sobre la red eléctrica, las características de esta tecnología la convierten en un medio ideal para el montaje de sistemas domóticos o de automatización. Tecnologías de acceso complementan los sistemas de automatización mediante el control y acceso de manera remota permitiendo el uso de NTICs o nuevas tecnologías de información y comunicación para integrar los sistemas. Debido a las características de esta tecnología se pueden desplegar redes de control y acceso de manera eficiente en corto tiempo, además de utilizar bajos recursos económicos permitiendo cambiar con gran facilidad los puntos que se controlaran, tales como actuadores, cargas ON/OFF (dispositivos lumínicos, portones, electrodomésticos, alarmas) y sensores (sensores de temperatura, de humedad de presencia, alarmas, etc.), ofreciendo flexibilidad y movilidad a lo largo de todo el tendido de la red eléctrica. El proyecto OSCAR es un sistema integral de comunicaciones (O-SISTEMA CONTROL ACCESO REMOTO) para tomar el control y monitoreo de una vivienda. Optimizando la cantidad de cableado, empleando la red eléctrica para transmitir y recibir datos de control, proveyendo una plataforma de control centralizada y un sistema de acceso remoto sin perder de vista el control manual de los dispositivos de la casa. ABSTRACT Power line communication or communication through the low voltage grid. It is a technology capable of transmitting data between two or more devices at home, commercial or industrial electricity grid, the characteristics of this of this technology make it an ideal medium for mounting automated systems or automation. Access technologies complement it automation systems through the control and remote access allowing the use of ICT and new information and communication technologies. Due to the nature of this technology can deploy network access control and efficiently in a short time, in addition to using low income can easily change the points that were controlled loads such as ON / OFF (lighting devices, gates, appliances, alarms) and sensors (temperature sensors, humidity sensors), provides flexibility and mobility along the mains. The next project is a comprehensive communications system (O-REMOTE ACCESS CONTROL SYSTEM) to take control and monitoring of a home. Optimizing the amount of wiring, using the grid to transmit and receive control data, providing a centralized control platform and a remote access system without losing sight of manual control devices in the home.

1 Egresado Carrera de Ing. Telecomunicaciones - [email protected]

2 Ing. Electrónico docente universitario – [email protected]

INTRODUCCIÓN Actualmente se buscan satisfacer necesidades de control y monitoreo de sistemas a través de accesos remotos es decir control y monitoreo a distancia.

Figura 1, sistema de comunicación con acceso remoto

Fuente: Elaboracion propia

Con el crecimiento de las redes de transporte de datos, redes de acceso y TICs como servicios WEB, servicios de bases de datos y la convergencia de plataformas en protocolos de comunicación (TCP/IP, PLC, R232) nos posibilitan la integración de muchas tecnologías para cubrir las expectativas de los sistemas integrados de comunicación frente a un objetivo común. Frente a la inquietud de simplificar la cantidad de cableado en los sistemas de transmisión de datos, están surgiendo nuevas corrientes tecnológicas, como la tecnología PLC (Power Line

Communication) que hace posible la transmisión de datos a través del tendido eléctrico o red eléctrica, siendo una tecnología prometedora en el campo de las telecomunicaciones o las tecnologías inalámbricas.

Figura 2, sistema de comunicación domiciliario

Fuente: Elaboración propia

Hasta ahora todas las tecnologías emergentes requieren de infraestructura adicional, cableado, ductos, obras civiles. Es ahí donde la tecnología PLC logra superar a otras tecnologías de banda ancha, la tecnología PLC puede brindar servicios (Actuadores, Sensores) sobre una plataforma IP y PLC, empleando tomacorrientes convencionales como puntos de acceso a la red.

Figura 3, puntos de control


Figura 4, integración de servicios

Fuente: www.smarthomeusa.com

El proyecto tiene la finalidad de desarrollar un sistema global que incluya actuadores (ON / OFF), sensores, programación de tareas, acceso vía WEB (PC, Smart Phone), control local sin perder la funcionalidad física de los elementos. Un usuario que desea obtener estos servicios sin agregar nuevo cableado o modificar significativamente la infraestructura de la vivienda puede obtener una herramienta para el control y monitoreo global con el único requisito de un acceso a través de IPs públicas a internet. Los sistemas actuales tienden a la integración de servicios, por lo que se requiere una plataforma que integre servicios de control y monitoreo de ciertos sistemas en domicilios, comercios y ambientes industriales HARDWARE LIBRE Especificación como diagramas son de acceso público, pueden ser de pago o gratuitos. Ya que el diseño es libre el operador puede hacer uso de el para la aplicación que desee, añadiendo o quitando componentes para el mejor uso o la mejor adaptación a la aplicación que se desee implementa. (VIRGILIO 2011) ARDUINO Otra de las iniciativas nacidas bajo el concepto de hardware libre es el proyecto Arduino. Esta plataforma consiste en una placa con diversas entradas y salidas que permite el desarrollo de infinidad de proyectos para el control de objetos interactivos autónomos, al mismo tiempo que sirve de plataforma para estudiantes como iniciación al mundo de la electrónica. (MASSIMO BANZI 2011) ARDUINO SHIELD O MÓDULOS DE EXPANSIÓN Un módulo de expansión es un dispositivo que nos brinda la posibilidad de ampliar las aplicaciones del micro controlador. Con el uso de un “shild” por tanto podemos obtener comunicación inalámbrica, comunicación Ethernet, power line comunicación y otras aplicaciones LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Se utilizan varias lenguajes de programación para el control de las diferentes interfaces, los diferentes lenguajes convergen en una solo aplicación por ello se tiene un programa complejo.

• PROGRAMACIÓN ARDUINO Arduino utiliza un lenguaje de programación muy similar a “C” o “C++“además también incorpora lenguaje de programación de bajo nivel para la configuración de las interfaces. “#include <stdio.h> #include <stdbool.h> #include <string.h> #include <avr/interrupt.h> #include <util/delay.h> #include "spi.h" #include "ports.h" #include "plm1.h" if(incomingByte == 83) {

Serial.print(byte(sync1)); delay (100); Serial.print(byte(sync2)); delay (100); incomingByte = 83; plm1_send_data(&incomingByte, 1); incomingByte = 0; }”

• PROGRAMACIÓN VB.NET Esta plataforma nos brinda la posibilidad de programar de manera interactiva con el uso de comandos simples además nos brinda una interfaz robusta, sobre esta plataforma corre la interfaz local o de servidor. “Private Sub Form1_Load(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles MyBase.Load

Try

SerialPort1.Open() Control.CheckForIllegalCrossThreadCalls = False

SerialPort1.Write("48")

Catch ex As Exception

MsgBox("El dispositivo USB no está conectado, el programa se cerrara.") MyBase.Close()

End Try

End Sub”

• PROGRAMACIÓN PHP PHP permite crear una interfaz gráfica que sea montada en un servidor para su control y acceso remoto, mediante la aplicación Apache utilizada en casi un 95% de servidores en el mundo trabaja como interfaz entre PHP y el acceso remoto hacia el domicilio.

• BASES DE DATOS MYSQL Una base de datos almacena diferentes campos en sus tablas, en el proyecto las bases de datos trabajan almacenando los últimos cambios en el software tanto de cargas lumínicas como de alarmas y sensores, además de almacenar horas y tiempos de encendido para determinar la tendencia que tienen los usuarios permitiendo determinar cuál sería el momento justo de encender una carga. En el proyecto las bases de datos son utilizadas también como método de seguridad, almacenando el último cambio ofreciendo las últimas actualizaciones a los usuarios

TOPOLOGÍA DE UNA RED PLC La topología de una red PLC es la misma del tendido eléctrico domiciliario, debido a que esta tecnología utiliza esta red como medio de transmisión.

Figura 1, Topología PLC indoor

27.0

3

1

VOUT 2

27.0

3

1

VOUT 2

27.0

3

1

VOUT 2


Aprovechando esta red ya implementada en una vivienda, podemos utilizarla como una alternativa de comunicación evitando cableado adicional y con las mismas caracteristicas de una cableado de red LAN, el equipo PLC se comunica con otros equipos PLC por medio de un tomacorrientes convencional.

Un dispositivo PLC es necesario al extremo final o punto de acceso AP, donde se conecte un equipo que recibira la informacion correspondiente por medio de un modem, el mismo podria ser utilizado para voz, datos o video. Un AP (punto de acceso) es cualquier toma corriente en una vivienda doméstica, por lo tanto un dispositivo PLC es colocado como traductor y filtro de la señal para conectar un equipo convencional. A diferencia de otras tecnologías la tecnología PLC tiene una gran flexibilidad y compatibilidad con otras tecnologías como ser telefonía, Ethernet, televisión por cable e internet. (HALID 2004) CARACTERÍSTICAS DEL CANAL La red eléctrica no ha sido diseñada para trabajar como una red de datos, presenta alta atenuaciones, ruido y distorsión, el ruido depende de la cantidad y el tipo de dispositivos conectados

Figura 6, Alteración física de bits

Fuente: Elaboracion propia en base a LEHMANN

Figura 7, Función de transferencia cable eléctrico

Fuente: Elaboración propia en base a LEHMANN

Como se observa en la figura existen ciertos puntos en los que la atenuación es más baja,

siendo estos punto los mejor para la transmisión, la frecuencia optima de transmisión esta entre

los 21 MHz y los 32 MHz, si bien la frecuencia a los 4 MHz parece presentar una baja

atenuación esta frecuencia es propensa al ruido, señales audio y ruido introducido por

electrodomésticos o equipos electrónicos.

Si bien el grafico no sería el mismo en diferentes tipos de cable, ya que dependiendo a la forma

en que estos hayan sido fabricados pueden presentar más o menos atenuación, por esta razón

se utilizan frecuencias en el orden de los 20 MHz ya que es el punto en el que las funciones de

transferencia de distintos tipos de cable se encuentra y el ruido introducido al canal es mínimo.

(JR NICHOLSON 1973)

SEGURIDAD EN TRANSMISIÓN Se consideraron varios aspectos de seguridad tales como caídas de tensión, comunicación ante diferentes cargas, interferencia, corrección de errores, tipo de cable y seguridad de datos.

• CAÍDA DE TENSIÓN Los prototipos PLC pueden continuar comunicando con variables de tensión grandes, debido a que los prototipos no utilizan la señal AC de baja tensión como portadora pueden continuar comunicando aun si el canal está vacío es decir pueden mantener una comunicación activa cuando la señal del canal es 0 V y continuar hasta los 380 V. Estas características de los prototipos PLC hace estos sean inmunes a caídas de tensión. Por lo tanto los aspectos de calidad de servicio de la línea QoS eléctrica, no influirán en la calidad de la señal, en un ambiente domestico la calidad de la señal debería ser menor o igual al 5% de tensión, entonces en una line de 220 voltios se tendría una caída del 50% sin afectar la comunicación muy superior a normas eléctricas establecidas y en 110 V se tendría una caída del 10% si bien no es muy considerable es superior a la norma eléctrica.

• CALIDAD DE SERVICIO DE LA LÍNEA – QOS ELÉCTRICA

Se refiere al cambio de tensión entre ambas terminales de un tomacorriente eléctrico ante la conexión de una carga en la línea, según la norma eléctrica este cambio debe ser menor al 5% de la amplitud total, a continuación se muestra una tabla que muestra los cambios de tensión a diferentes horas del día. Las tablas fueron realizadas bajo una tensión de 220 V y 50 Hz en una vivienda domestica (departamento).

• VELOCIDADES DE TRANSMISIÓN

La mejor velocidad de transmisión es 10000 Bauds donde las pérdidas son 0 y los datos correctos son todos los enviados, la frecuencia de modulación es baja utilizando frecuencias anteriores a las frecuencias de alta atenuación.

• COMUNICACIÓN EN AMBIENTES DE ALTO RUIDO

Es indispensable considerar el ruido en sistemas de domótica y de comunicación en general, ya que el ambiente en el que se trabaja es propenso al ruido por las características con que este trabaja, para ello se utiliza una modulación OFDM la cual tiene una alta eficiencia en ambientes de ruido, además que permiten el uso de diferentes portadoras por el mismo canal, este tipo de modulación permite el uso de

filtros sencillos en transmisión y recepción, haciendo más sencilla la implementación de hardware.

Imagen 1, pruebas de comunicación en ambiente industrial


INTERFERENCIA EN LA LÍNEA La interferencia en la línea de baja tensión es inevitable por las características de la misma, diferentes cargas inciden sobre ella, existen horas pico de tráfico en las cuales la comunicación parece ser imposible, gracias a la implementación de una modulación OFDM o FSK es posible seguir comunicando en horas pico, la comunicación se vería afectada si se utiliza de manera marginal es decir si se está trabajando al límite de la distancia o se está excedido por unos metros.

Imagen 2, señal de información y ruido de fondo


CORRECCIÓN DE ERRORES Los prototipos PLC utilizan diferentes mecanismos de corrección de errores tanto por hardware para eliminar bits parásitos introducidos por algún artefacto y por hardware para eliminar bits incorrectos o petición de reenvió. Estos mecanismos son FEC (Forward Error Correction), CRC16 y CSMA (Carrier Multiple Sense Access with Collision Avoidance). Para asegurar la correcta recepción de datos tanto en maestro como en esclavo, algunos algoritmos permiten la reconstrucción de bits esto es ideal para el sistema de comunicación PLC ya que por características del medio es inevitable que en algún punto se vean comprometidos algunos bits o bytes de información. (CHAN 1994) TIPO DE CABLE Las pruebas realizadas han sido elaboradas en base a diferentes tipos de cable es decir se realizaron pruebas en cables multifilar o de varios hilos en ambiente home, las pruebas has sido satisfactorias y con cable unifilar o alambre obteniendo los mismos resultados, por lo tanto el tipo de cable no determina el desempeño de los prototipos PLC, no se ve afectada la velocidad, el número de bits, el ancho de banda, ni el alcance.

Imagen 3, Simulación de las peores condiciones de cableado


CONCLUSIONES

• Power Line Communication no tiene líneas dedicadas a la comunicación por lo que se deben adaptar las señales de información a este medio, para ello es necesaria una modulación robusta y altamente eficiente ante el ruido. Se concluye que el medio no influye severamente la comunicación lo hace más bien el uso de componentes que inyectan ruido a la línea eléctrica

• Especificaciones de la hoja de datos del fabricante determinan que el alcance máximo es de

100 mts a una tasa de transferencia de 9600 bauds, prácticamente determinamos que la cobertura máxima está en función de las características de la línea en determinada hora, tales como cargas, especialmente inductivas y reactivas. Además de componentes adicionales de las redes eléctricas como protectores térmicos y medidores de luz. Bajo las mejores condiciones de comunicación logramos una distancia aproximada de 90 mts sin perdidas de datos

• Se logró implementar un sistema de domótica en un domicilio con fines de prueba, se

controlan cargas lumínicas y alarmas, el acceso como se había definido se realiza mediante software remoto y local y de manera manual por hardware, los resultados fueron satisfactorios con ciertos inconvenientes mencionados en recomendaciones, los prototipos fueron programados para transmitir en ambas direcciones lo que nos permite tener una transmisión continua de manera permanentemente.

• PLC es una solución de red que permite el uso de tomacorrientes domésticos como puntos

potenciales de comunicación asi ser la tecnología por excelencia para la implementación de sistemas domóticos o de automatización, PLC brinda la posibilidad de automatizar sin adicionar cableado de control.

• La modulación OFDM tiene una alta inmunidad al ruido, lo que permite utilizar esta

modulación en ambientes de alto ruido tales como ambientes industriales o ambientes en los que se requieren varias portadoras en el mismo canal

RECOMENDACIONES

• Un transformador 220 / 220 o un transformador 110 / 110 de alta potencia pueden ser utilizados como etapa de desacople de la línea, para garantizar la comunicación entre los dispositivos, el desacople evita que el ruido externo o que no es del domicilio ingrese, también puede ser utilizado para desacoplar ciertos tomacorrientes del domicilio para aislarlos del ruido

• Trabajar dentro de los límites de comunicación de los prototipos PLC para evitar errores en la comunicación, se recomienda trabajar con un límite menor al de los 100 mts

• Utilizar un prototipo PLC en cada punto de enlace, es decir en cada punto que se desea automatizar para ampliar las aplicaciones y reducir cableado

BIBLIOGRAFÍA HALID, Hrasnica, ABDELFATTEH, Haidine, RALF, Lehnert. Broadband Powerline

Communication, Inglaterra: Wiley, 2004, Única edición. KLAUS Dostert, Power Line Communication: Prentice Hall PTR, 2000. KHURRAM, Hussain Zuberi, Powerline Carrier (PLC) Communication System: Master Thesis, IMIT, Suecia: KTH, 2003 BANWELL. Tc. Galli s.a nover approach to acuratre modeling of the indoor power line channel. ieee trans, Parte1: 2003 LEHMANN, K, Data Transmission Over 230 V- Power Lines Using Spread Spectrum

Techniques, sprectrum and aplication proceeding 1996 DOSTERT, Klaus, Powerline Communications. Estados Unidos: Prentice Hall, 2001. A.G. Burr, P.A. Brown, "Application of OFDM to Powerline Telecommunications", 3rd International Symposium on Power-line Communications and its Applications, Lancaster, UK, 1999.

proyecto oscar

Technology