Diseño de Sistema de Control Inteligente con Microcontrolador PIC para Habitación (página 2)

Por otro lado, las sofisticadas tecnologías que
cada vez con mayor fuerza se orientan hacia el campo de la
domótica, junto al desconocimiento de los beneficios
reales que ésta reporta a la sociedad, hacen parecer muy
complejas y costosas sus aplicaciones. Tendiendo en cuanta estos
antecedentes se realizó el diseño de un sistema de
control inteligente para una habitación genérica
utilizando la tecnología de los microcontrolador PIC
debido a su popularidad, potencialidad y bajo costo. Para su
desarrollo adecuado, el proyecto se orientó sobre la base
de los siguientes objetivos:

• Introducir los conceptos fundamentales sobre
  domótica, para incentivar su conocimiento y mostrar la
  importancia de esta disciplina en mundo moderno.

• Diseñar una aplicación domótica
  de bajo costo basada en la automatización de una
  habitación genérica con un microcontrolador PIC
  de la familia Microchip que contribuya al ahorro de
  energía, de recursos, y al confort.

• Desarrollar una aplicación real utilizando
  herramientas computacionales de ayuda al diseño
  práctico (Mplab y
  Proteus).

METODOLOGÍA

El proyecto se realizó para una habitación
genérica que presenta la siguiente estructura, como
muestra la Figura 1:

• Un Aire Acondicionado.

• Un Calentador de Agua.

• Sistema de Iluminación.

• Una Puerta de Entrada.

• Una Puerta de Balcón o Terraza.

• Un baño.

Figura 1. Vista del prototipo de la
habitación.

Aunque existe gran variedad en cuanto al diseño
de las habitaciones en el sector hotelero cubano, la seleccionada
como prototipo se encuentra ampliamente diseminada por todo el
país. En la Figura 2 se observa la imagen de una
habitación real de un hotel de la costa sur de Cuba con
características similares a las descritas.

Figura 2. Habitación Hotelera
de Cuba.

Especificaciones

El sistema de control se desarrolló basado en los
conceptos fundamentales de la domótica y con las
exigencias de confort y gestión energética del
sector hotelero cubano, por lo cual el circuito y la
programación diseñada, proporcionan las siguientes
prestaciones:

• Control diferenciado de la temperatura de la
  habitación en dependencia de los horarios del
  día. El sistema regula automáticamente la
  temperatura del local a un valor de confort de acuerdo a los
  horarios del día, la noche o la madrugada, y
  además, configurable mediante un teclado. Los horarios
  son:

• Madrugada: Horas comprendidas entre las 12:00
  AM y las 6:00 AM.

• Pico: De 6:00 PM a 10:00 PM

• Resto del día: De 6:00 AM a 6:00 PM y
  de 10:00 PM a 12:00 AM

• Protección del aire acondicionado. Cuando
  alguna de las puertas de la Entrada o de la Terraza quedan
  abiertas por más de 5 minutos, el sistema desconecta
  de la red el aire acondicionado para protegerlo del
  sobreconsumo.

• Función de Reloj: Visualización de la
  hora actual en la línea superior del módulo LCD
  16X2 en el formato hh:mm:s, que incluye AM o PM y su
  actualización a través del teclado.

• Función Termómetro. Medición de
  la temperatura ambiente de la habitación y su
  visualización en la línea inferior del
  módulo LCD 16X2.

• Control de la temperatura del calentador de agua.
  Regulación de la temperatura del agua a 45 ºC
  durante el modo de operación normal y a temperatura
  económica cuando el huésped se encuentra fuera
  de la habitación (Modo Stand By) o mientras el
  huésped se encuentra dormido (Modo Huésped
  Dormido). Es configurable mediante el teclado.

• Control de iluminación.
  Conexión/desconexión automática de las
  luces en función de la presencia ó cuando las
  personas duermen.

En cualquiera de los casos en que el aire acondicionado
sea conectado nuevamente a la red, el sistema realiza una espera
de 3 minutos.

Las funciones descritas anteriormente se ejecutan
mediante cinco modos de trabajo fundamentales que son:

• Modo de Configuración. Es el modo
  donde se consigue la configuración de los
  parámetros técnicos mediante dos teclas.
  Aquí se definen las temperaturas de confort para cada
  horario, el tiempo de Stand By, las temperaturas
  económicas para la habitación y el calentador
  de agua y se actualiza la hora.

• Modo Normal de Operación. Es el modo
  de trabajo que garantiza el normal funcionamiento del sistema
  cuando el huésped se encuentra dentro de la
  habitación y el sistema trabaja con las temperaturas
  de confort predefinidas.

• Modo Stand By. Es un modo temporizado en
  horas y configurado por el teclado a partir del momento en
  que el huésped abandona la habitación. En tales
  condiciones, el sistema garantiza durante este período
  de tiempo el apagado automático de las luces y el
  control de las temperaturas de la habitación y del
  calentador de agua a los valores económicos
  predefinidos. Se asegura así un mínimo de
  confort por ausencia y un ahorro energético
  considerable, evitando además, los "picos" de consumo
  que genera la conexión del sistema de
  climatización cuando el huésped retorna del
  exterior lo cual representa una protección adicional
  para el equipo.

• Modo Huésped Dormido. El sistema
  detecta que el huésped se ha quedado dormido y procede
  a la desactivación de las luces y a regular el
  calentador de agua a la temperatura económica
  predefinida. De este modo se garantiza un mínimo de
  confort y un ahorro adicional de energía durante un
  período de tiempo no despreciable. En caso que el
  huésped despierte, el sistema de control retorna al
  modo normal de operación.

• Modo Deshabilitado. La habitación pasa
  a este modo después de vencido el tiempo de Stand By
  donde el sistema desconecta totalmente el aire acondicionado,
  las luces y el calentador de agua, brindando un ahorro total
  de energía a partir de este momento..

Si se tiene en cuenta que el precio de una
habitación turística no responde directamente al
consumo variable de energía eléctrica y que
según las estadísticas, la mayoría de los
huéspedes están fuera el 60% del tiempo lo cual
deja mucho tiempo para el mal gasto, se puede inferir que la
implementación del sistema de control representa un
importante aporte al ahorro energético sin comprometer el
confort requerido.

Circuito de Control

El circuito de control es relativamente sencillo,
fácil de programar e implementar en la práctica. En
la Figura 3 se muestra su diagrama de bloques general.

Figura 3. Esquema de cableado de la
aplicación.

Inicialmente se realizó un estudio de mercado de
los diferentes componentes y dispositivos electrónicos
disponibles para conformar adecuados criterios de
selección que contribuyeran a la reducción de los
costos.

El procesador seleccionado es el microcontrolador PIC
16F870 de la firma Microchip, cuya utilización
brinda gran facilidad y flexibilidad en la programación,
fiabilidad, sencillez circuital y bajo costo. El convertidor
análogo digital multicanal de 10 bits de resolución
que presenta el PIC, digitaliza las señales provenientes
de los dos sensores LM35, encargados de la medición de las
temperaturas del local (U1) y del calentador de agua (U2). El
LM35 proporciona una alta linealidad de salida de 10 mV por cada
grado centígrado en un intervalo de temperatura desde -55
a 150 ºC. No necesita calibración externa, es de bajo
costo y labora con la alimentación entre 4 y 30
voltios.

Para la detección de presencia dentro de la
habitación se utilizó un detector
piroeléctrico infrarrojo de movimiento (PIR) con salida
por relé. Su ángulo de detección de
180°, su alcance de 6 metros y una adecuada ubicación
dentro del recinto, hacen que se requiera un solo un dispositivo
de este tipo. Como la distancia entre el sensor y el PIC puede
resultar relativamente larga, la conexión se realiza a
través de un optoacoplador L/4, que al actuar sobre un
transistor, lo corta o satura para darle los niveles requeridos
al terminal AN2 del PIC. Los dispositivos de acoplamiento
óptico son muy útiles en los sistemas con
Microcontroladores PICs, ya que permiten protegerlo debido a su
capacidad de aislar eléctricamente los circuitos de
entrada y salida, además de una alta velocidad de
conmutación y la ausencia de rebotes.

El estado (abierto o cerrado) de las puertas de entrada
y de la terraza, se obtiene mediante la utilización de dos
sensores magnéticos. También se utilizaron dos
optoacopladores adicionales L/5 y L/6 debido a la distancia. El
voltaje de salida de estos optoacopladores sitúa en corte
o saturación a los transistores correspondientes,
obteniéndose así los niveles de voltajes requeridos
en los terminales AN4 y AN5 del PIC donde se censa el estado de
esas variables en cuestión.

Las variables de salida son activadas mediante
relés manejados por transistores para la
conexión/desconexión de los elementos consumidores
que son las luces L/8, el aire acondicionado L/9 y el calentador
de agua L/10.

Finalmente, un módulo LCD L/7 (multiplexado a 4
bits), es conectado a los terminales restantes del PUERTO B del
PIC para visualizar todos los datos (Hora y
Temperaturas).

El ajuste de los valores críticos del sistema se
realiza mediante dos teclas (SET y UP): una para el cambio de
ventanas de configuración, y otra para el ajuste del
parámetro respectivamente.

El diagrama circuital del sistema de control inteligente
para habitación se detalla en la figura 4. Se pueden
observar todas las interconexiones descritas en su
vinculación con el microcontrolador PIC.

Figura 4. Diagrama circuital del
sistema de control para una habitación
inteligente.

Programa de aplicación.

El programa de aplicación se realizó en el
lenguaje ensamblador del Microcontrolador PIC16F870 de la firma
Microchip. El reloj del sistema es de 4 MHz (Megahertz)
, por lo cual cada instrucción se ejecuta a una velocidad
de 1 &µseg (microsegundo). Se emplearon con excelentes
resultados las herramientas computacionales MPLAB y PROTEUS para
la simulación y puesta a punto.

El programa principal básicamente es un lazo de
subrutinas que se repiten indefinidamente y cuyo diagrama de
flujo aparece en la Figura 5.

Figura 5. Diagrama de bloques
general.

Las interrupciones constituyen uno de los mecanismos
más importantes para la conexión del procesador con
el mundo exterior, permitiendo su sincronización con
acontecimientos internos y externos. En este caso se producen por
ambos eventos, los cuales son:

• Interrupción interna por desbordamiento del
  temporizador TMR0 cada 4 mseg. (milisegundos) que crea
  una base de tiempo de 1 segundo utilizada por todos los
  procesos de temporización.

• Interrupción Externa por el terminal
  RB0/INT del PIC16F870 al oprimirse la tecla
  SET, encargada de la programación del reloj de
  tiempo real y de los parámetros técnicos
  fundamentales.

El diagrama de bloques de la subrutina
TEMPORIZACIÓN, encargada de crear la base de tiempo
general de 1segundo, se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Subrutina
TEMPORIZACIÓN.

Solo dos teclas son requeridas para la
configuración de todos los parámetros
técnicos. Cada vez que es presionada la tecla SET,
se le solicita interrupción al procesador donde se
ejecutan las subrutinas RECONFIGURAR, para el ajuste de
los parámetros técnicos, y ACTUALIZA _
RELOJ, para ajustar la hora si es necesario. Durante el
proceso de configuración, la tecla UP muestra en el
visualizador LCD una página diferente para ajustar el
parámetro. Tales páginas se visualizan en el
siguiente orden:

• Página 1: Ajuste Temperatura Madrugada
  (º C).

• Página 2: Ajuste Temperatura Hora Pico
  (º C)

• Página 3: Ajuste Temperatura Resto
  Día (º C).

• Página 4: Ajuste Temperatura Stand By
  (º C)

• Página 5: Ajuste Temperatura
  Calentador St-By (º C)

• Página 6: Ajuste Tiempo Stand By
  (Horas)

• Página 7: Ajuste Hora (Horas, Minutos,
  AM/PM)

La correcta actualización de las horas y los
minutos del reloj garantizan un funcionamiento de
autonomía correcto, ya que el control de la temperatura y
por tanto, el confort térmico dentro de la
habitación y del calentador de agua, dependen de la hora
específica. El diagrama de bloques de la Subrutina de
Servicio a Interrupción RSI se muestra en la Figura
7.

Figura 7. Subrutina de Servicio a
Interrupción (RSI)

Al concluir el proceso de configuración de los
parámetros, el sistema pasa al Modo Normal de
Operación, visualizándose en el LCD la hora actual
(línea superior), y la temperatura en º C del local
(línea inferior) como muestra la figura 8.

Figura 8. Display LCD 16X2
visualizando Hora y temperatura.

Para los diferentes procesos de tiempo que necesita el
sistema inteligente, se crearon 7 contadores que funcionan sobre
la base de tiempo de 1 segundo y que se resumen en la Tabla
1:

Tabla 1. Contadores del sistema y sus
funciones.

Se diseñaron además los registros
indicadores, cuyos bits activan los diferentes contadores de
tiempo y también describen cada situación que se
puede presentar en la habitación. Estas banderas son
activadas/desactivadas en cada subrutina y finalmente analizadas
en la subrutina DECIDIR, donde se toman las decisiones finales
para la conexión/desconexión de los diferentes
elementos consumidores y efectuar el control
inteligente.

RESULTADOS Y
DISCUSIÓN

Durante la etapa de programación y puesta a punto
del sistema, se utilizaron básicamente las herramientas
MPLAB y PROTEUS, que incidieron considerablemente
en la obtención de los objetivos trazados. Estos programas
fueron desarrollados para el trabajo con microcontroladores, y
además de su facilidad de programación y uso,
tienen la ventaja de complementarse facilitando el desarrollo de
las aplicaciones.

PROTEUS es un entorno integrado diseñado
para la realización completa de proyectos de
construcción de equipos electrónicos en todas sus
etapas, es decir, diseño, simulación,
depuración y construcción. Sus reconocidas
prestaciones lo han convertido en el programa simulador
más empleado en microcontroladores PIC, por encima de las
herramientas que oferta el propio fabricante.

En este caso se empleó en mayor medida el entorno
de diseño gráfico ISIS para esquemas
electrónicos, que es extremadamente fácil de
utilizar y está dotado de poderosas herramientas para
viabilizar el trabajo del diseñador en combinación
con MPLAB IDE. La utilización de ambas herramientas
proporciona un porcentaje elevado de certeza de su correcto
funcionamiento, lo cual ofrece gran confianza para pasar al
proceso de grabación y montaje del circuito.

CONCLUSIONES

Durante el análisis de la aplicación se
presentan los conceptos más importantes sobre
Domótica, y los aspectos económico-sociales que
fundamentan la necesidad de diseñar un sistema de control
inteligente autónomo para habitaciones, con mejor
relación costo/beneficio que las variantes existentes en
la actualidad en Cuba. Además, se utilizan con
éxito las herramientas de diseño MPLAB y PROTEUS
para el desarrollo y puesta a punto de sistemas con
microcontroladores PIC.

Como resultado del trabajo se dispone de un sistema de
control autónomo para una habitación de
fácil implementación y con los elementos necesarios
para brindar ahorro energético, un ambiente confortable y
con bajos costos.

BIBLIOGRAFIA

Bazán, C. (2004). Proyecto de
automatización para Hotel Sol Club Cayo Santa
María. Proyecto de investigación, Universidad
Central "Martha Abreu" de las Villas, Villa Clara,
Cuba.

Gorrin Cabrera, Osmel. (2004). Reflexiones sobre el
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Disponible:
http://www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger1/conenhotcuba.htm.

Henao Merchán, Óscar David. (2006).
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Bolivariana. Facultad de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica.

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para el ahorro de energía. Proyecto de
Investigación, Centro de Investigaciones en
Microelectrónica. (CIME), Instituto Superior
Politécnico José Antonio Echeverría, La
Habana, Cuba.

Torres Herrera, José Raúl. (2009).
Habitación Inteligente con Microcontrolador PIC. Tesis de
Maestría en Electrónica. Centro Desarrollo
Electrónica. Universidad Central Las Villas.

Autor:

José Raúl Torres
Herrera

Ingeniero en Equipos y Componentes
Electrónicos

Emilio González Rodríguez

Titular Universidad Central "Marta Abreu" de Las
Villas.