Domótica: Redes de Sensores y Actuadores Tema 4. Tecnologías domóticas: sistemas, redes de sensores y actuadores. Pepe Maestre
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
DISA
Teoría de control automático
Compendio de las técnicas que permiten a las “cosas” funcionar solas
Con “cosas” nos referimos a sistemas, es decir
Un conjunto de COMPONENTES que se RELACIONAN entre sí dentro de un cierto ENTORNO con un OBJETIVO dado
Ejemplo: Calefactor
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Automática presente todas partes (entorno)
Cuerpo humano
Temperatura, presión sanguínea, frecuencia cardiaca, humedad de la piel, proceso digestivo ...
Entorno inmediato
Presión agua redes Electricidad (voltaje y forma de onda ...) Temp. Habitación
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Automática en todas partes (telecos)
Telefonía movil
Terminal (control de potencia de emisión) Carga y descarga de baterias Control de la red y tráfico Control de antenas
Telefonía fija
Control de redes Control en centralitas
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Automática en todas partes (informática)
Computadores
Fuente de alimentación Control de discos Control de impresoras ....
Fabricación
Hornos obleas. Fabricación de placas Inspección
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Automática en todas partes (industria)
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Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Automática en todas partes (coches)
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La tecnología oculta ☺ ☺
Ampliamente utilizada Muy exitosa Rara vez se habla de ella Salvo cuando hay problemas ¿Por qué? qué?
Quizá porque resulta más sencillo hablar de dispositivos que de ideas
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Operación manual de un proceso
Observar Comparar Decidir Actuar
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Operación de un proceso Comparar Decidir
Respuestas
Cambios Proceso Actuar
Medir Respuesta dinámica
Operación manual o en lazo abierto Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
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Operación automática
Respuestas
Cambios controlador Valores Deseados
Proceso Actuar
Medir
Operación en lazo cerrado Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
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Componentes Variables a controlar
Variables para actuar Controlador
Actuador
Proceso
Valores Deseados Sensor Valores medidos
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Terminología
Perturbación Variable Controlada LT
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Referencia LC
Variable Manipulada
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La magia de la realimentación
Hacer que el sistema se comporte como se desea
Mantener variables en torno a un valor constante
Estabilizar sistemas inestables
Reducir el efecto de las perturbaciones y de las variaciones en los componentes
Mayor libertad para el ingeniero
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Teoría de control automático
Las relaciones causa/efecto que se producen en los sistemas pueden ser caracterizadas mediante modelos matemáticos
Modelos de Entrada/Salida: Y=f(Y,U,t)
Y = salida U = entrada t = tiempo
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Teoría de control automático
El conocimiento del modelo que caracteriza el sistema permite calcular acciones de control sobre el sistema para que éste se comporte como deseamos MPC (Model Predictive Control) emplea el modelo del sistema para calcular las acciones óptimas de control desde el punto de vista de una cierta función de coste definida a lo largo de un horizonte temporal de N pasos hacia el futuro
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Sistemas Reales
Gran cantidad de sistemas en el mercado
Poca estandarización y ausencia de normativas bien desarrolladas como las existentes para ICT o instalaciones de baja tensión
No hay tecnología perfecta: Necesidad de familiarizarse con las tecnologías existentes, sus pros y contras
La mayoría de ingenierías eligen un sistema de los cada tipo de los que veremos para trabajar
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo al medio de transmisión empleado:
Cableados (cableado específico)
PLC (Power Line Communications)
Mayor seguridad en comunicaciones pero exigen mayor infraestructura y obra
Emplean la línea eléctrica, que es un medio poco apto para las comunicaciones
Inalámbricos
Fácil despligue pero posibles problemas de interferencias. Necesidad de alimentar los nodos
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de la red están conectados.
Estrella
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de la red están conectados.
Anillo
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de la red están conectados.
Bus
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de la red están conectados.
Árbol
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología física: Modo en que los nodos de la red están conectados.
Mixta
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología lógica: Modo en que los nodos de la red intercambian información.
Centralizada
Elemento central que lo controla todo, lo que permite optimizar globalmente Dada su simpleza suelen ser sistemas baratos y muy aptos para sensores y actuadores estándar
Poco versátil y riesgo de cuellos de botella
No apto para grandes instalaciones
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología lógica: Modo en que los nodos de la red intercambian información.
Jerarquizada
Mayor modularidad
Posibilidad de nodos controladores especializados según función
Posibilidad de nodos controladores responsables de ciertas zonas
Permite abarcar instalaciones mayores
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo a la topología lógica: Modo en que los nodos de la red intercambian información.
Distribuida
Inteligencia presente en los nodos de red.
Tolerancia a fallos en caso de caída de un nodo.
Elementos incorporan electrónica de comunicaciones capaz de recablear por software el sistema. Mayor precio
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Clasificación de Sistemas
Atendiendo al carácter de la tecnología
Sistemas cerrados: no se tiene acceso a todos los detalles relativos a su tecnología. Obedecen al deseo de las empresas de llevarse el gato al agua. Sistemas abiertos: la tecnología es pública y cualquiera puede desarrollar para estos sistemas. Dos posibilidades:
Empresas que hacen pública su tecnología para que todos puedan desarrollar para ella. Sistemas cuyas especificaciones quedan recogidas en normas o estándares.
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Otros Criterios
Normalización del sistema Facilidad de instalación y mantenimiento Facilidad de programación Posibilidades multimedia Simpleza de interfaces de usuario Existencia de múltiples fabricantes Servicio post-venta Seguridad del sistema a ataques o ante fallos Posibilidades de integración con otros sistemas, CRA, infrarrojos, etc. Y, por supuesto, el precio Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
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Sistemas Existentes en el Mercado
X10 EIB-KNX LonWorks IPDomo Zigbee Cardio …
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Sistemas Existentes en el Mercado
X10:
Medio: PLC Topología Física: Bus Topología Lógica: Distribuida Carácter: abierto Otras:
Sistema muy barato y antiguo (1975 PicoElectronics) Muy popular en EEUU Poca capacidad y propenso a fallos 50 bps en Europa y 60bps en EEUU Instalación muy sencilla, casi de bricolaje Diferentes proyectos realizados en ESI con este sistema Existen evoluciones en el mercado: A-10
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Red X.10
Tipos de dispositivos
Cada receptor tiene su identificador compuesto de:
Emisores de órdenes Receptores de órdenes E/R de órdenes Inalámbricos
Código de hogar: A-P Código de dispositivo: 1-16
En total puede haber 256 receptores
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Red X.10. Funcionamiento
Paso por cero de la tensión de red Ráfagas de señal de 1ms, con 0.5W de potencia El 1 = pulso de 1ms a 120KHz El 0 = ausencia de pulso Redundancia => 50bps Una trama completa necesita 11 ciclos CA
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Red X.10. Funcionamiento
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Red X.10
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Red X.10
Gama de productos: Interruptores Selectores de intensidad Detectores varios Alarmas Pantallas táctiles
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Sistemas Existentes en el Mercado
EIB-KNX:
Medio: Cableado (similar a RS485), PLC o RF Topología Física: Bus Topología Lógica: Distribuida Carácter: abierto Otras:
Norma EN-50090 Sistema Europeo de los años 90 Elevadas prestaciones de control y elevado precio Elevado precio Escasas posibilidades multimedia por su reducido ancho de banda 9.6kbps KNX es una evolución de EIB con algunos elementos de Batibus y EHS Bus alimenta algunos dispositivos Requiere diseño, instalación y programación en ETS2 por personal certificado (EIB-KNX partner)
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Red KNX
Alianza KONNEX Alemania 1999 Unificación del ámbito europeo Reúne trabajos de EIBA, BCI y EHSA Unifica sistemas: EIB, EHS (Maior Domo de Fagor) y BatiBUS para combatir con LonWorks o CEBus (EEUU) Incluye compañías como
Siemens (D) Bosch (D) Schneider (F) Electricité de France (F)
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Red KNX
Modo S – Sistema
Modo E – Easy
Necesita configuración avanzada mediante aplicación en PC Se usa configuración de fábrica para funciones concretas
Modo A – Automático
Basta con conectar el dispositivo
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Red KNX. Dispositivos
Tres tipos de dispositivos (modos A, E y S)
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Red KNX. Dispositivos
Compatible con productos EIB, EHS previos No es compatible con BatiBUS (Merlin Gerin) Dispositivos conectables:
256 por línea 60k en total
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Red KNX
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Red KNX. EIB
EIB (European Installation Bus) Basado en modelo OSI Productos:
Instabus EIB de Jung ABB i- bus EIB de Niessen Sigma i-BUS Modular de ABB Stotz Kontakt
Existe gama completa de sensores y actuadores Permite el uso de un PC para supervisar y controlar Se basa en un par trenzado con CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
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Red KNX. EIB
Direcciones de 16b Organización distribuida Los mensajes llevan la dirección del destinatario
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Red KNX EIB
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Red KNX EIB
Además de la dirección física, cada dispositivo puede tener una dirección lógica de grupo:
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Red KNX-EIB Telegrama:
Existen también tramas de asentimiento, negación y terminal ocupado.
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Red KNX-EIB
Programación con ETS3 Interfaces gráficos con ELVIS
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Sistemas Existentes en el Mercado
Zigbee:
Medio: Inalámbrico Topología Física: Bus Topología Lógica: Mallada Carácter: abierto Otras:
Capas bajas PHY y MAC de 802.15.4 Sistema poco maduro a nivel de mercado: OSIRIS y Control4 Elevadas prestaciones de control Precio reducido, medio Hasta 250kbps y alcances más que razonables para redes PAN (varias decenas de metros) Contamos con varios kits de desarrollo en dpto
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Red Zigbee
Enlace de radio bandas industrial, médica y científica (868MHz y 2,4GHz) 2003
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Red Zigbee
Baja tasa (250kbps) y alcance (10 a 70 m) Funcionamiento con baterías de duración > 2años
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Red Zigbee
Especificaciones capa física para acceder al medio (PHY) y control de acceso al medio (MAC) especificados por IEEE802.15.4 Los dispositivos se caracterizan por perfiles = capacidades y funciones Cada perfil dispone de funciones (API) Todos los perfiles comparten PHY y MAC Cada dispositivo tiene una dirección MAC de IEEE de 64 bits
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Red Zigbee. Topologías
Estrella Interconexión total Jerárquica o Racimo
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Red Zigbee • Eight promoter companies – Chipcon, Ember, Freescale, Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips and Samsung
• A rapidly growing list (Now over 175) of industry leaders from 29 countries spanning 6 continents committed to providing ZigBee-compliant products and solutions – Companies include chip suppliers, wireless IP providers, OEMs, test equip manufacturers and end users Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
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The ZigBee Platform
Public Application Profile
Certified Product
ZigBee Stack
IEEE 802.15.4
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Compliant Platform
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The ZigBee Platform
Private Application Profile
ZigBee Stack
IEEE 802.15.4
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Compliant Platform
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Basic Radio Characteristics
ZigBee technology relies upon IEEE 802.15.4, which has excellent performance in low SNR environments
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Basic Network Characteristics • 65,536 network (client) nodes • Optimized for timing-critical applications and power management – Time to Join Network: <30ms – Sleeping to active: <15ms – Channel access time: <15ms • Full Mesh Networking Support
Network coordinator Full Function node Reduced Function node Communications flow Virtual links
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ZigBee Mesh Networking
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ZigBee Mesh Networking
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ZigBee Mesh Networking
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Cluster Tree Networks
Cluster tree networks enable a peer-peer network to be formed with a minimum of routing overhead.
20 12
CH2
14
11 4 8
13
6
DD/CH0
CH4
CH1
5
CH5
0 7
2
1
3
9
CH3
22 10
“Parent”
CH6
“Child” Links indicate familial relationship, not communications capability Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
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Cluster Tree Networks
Employ multi-hop routing Can be very large: 255 clusters of 254 nodes each = 64,770 nodes May span physically large areas Suitable for latency-tolerant applications
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ZigBee Device Types ZigBee
Coordinator (ZC)
One and only one required for each ZB network. Initiates network formation. Acts as 802.15.4 2003 PAN coordinator (FFD). May act as router once network is formed.
ZigBee
Router (ZR)
Optional network component. May associate with ZC or with previously associated ZR. Acts as 802.15.4 2003 coordinator (FFD). Participates in multihop routing of messages.
ZigBee
End Device (ZED)
Optional network component. Shall not allow association. Shall not participate in routing.
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Network Structure
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Network Structure
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Network Structure
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ZigBee Channel Access Options Two channel access mechanisms:
Non-beacon network
A simple, traditional multiple access system used in simple peer and near-peer networks Standard ALOHA CSMA-CA communications Positive acknowledgement for successfully received packets
Beacon-enabled network
Superframe structure- network coordinator transmits beacons at predetermined intervals Dedicated bandwidth and low latency Low Power Consumption mode for Coordinator
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Sistemas Existentes en el Mercado
Z-Wave:
Medio: Inalámbrico Topología Física: Bus Topología Lógica: Mallada Carácter: abierto, aunque pertenece a Zensys Otras:
Capas bajas PHY y MAC de 802.15.4 Mayor competidor de Zigbee y con mayor impacto real de mercado Elevadas prestaciones de control Precio reducido, medio Estamos esperando unos kits de desarrollo en dpto
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ZWave
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ZWave
Es el competidor más serio que tiene Zigbee en cuanto a aplicaciones tecnológicas Estándar propietario de la compañía Zensys que amenaza con posicionarse como estándar de facto Dispositivos de muy bajo coste y consumo Lleva algunos años de ventaja a Zigbee en lo que a llegada al mercado se refiere
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Comparación Zwave vs Zigbee Zigbee
Z Wave
Nº Miembros fundación
100
70
Tipo de tecnología
Basado en estándar abierto
Propietaria
Mercado
Doméstico e industrial
Luces y Residencial
Consumo
Muy bajo
Muy bajo
Interoperabilidad
Difícil en v.1.0
Sí
Coste
Bajo
Muy bajo
Interferencias con WLAN
Sí
No
Nº máx dispositivos en malla
254
232
Madurez [1-5]
1
3
Dispositivos comerciales [1-5]
1
3
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Sistemas Existentes en el Mercado
IPDomo:
Medio: Cableado e inalámbrico (IP) Topología Física: Árbol Topología Lógica: Jerarquizada Carácter: abierto Otras:
sistema abierto (UPnP) Un solo fabricante (SERVITEL) Poco desarrollo de UPnP fuera de multimedia Gama media Precio medio Cableado un poco engorroso, pero permite mecanismos universales Diferentes proyectos realizados en ESI con este sistema
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IPDomo
Componentes:
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IPDomo
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IPDomo
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IPDomo
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IPDomo
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IPDomo
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IPDomo
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Sistemas Existentes en el Mercado
Vivimat:
Medio: Cableado RS-485 Topología Física: Estrella Topología Lógica: Centralizada Carácter: Propietario Otras:
Sistema de bajo coste Fabricado en País Vasco por Dinitel, similar a otros productos como Cardio de Domoval Nulas posibilidades multimedia más allá de la integración del videoportero de AUTA en el sistema Gama baja en versión Integra y media en versión Confort Escasas posibilidades de configuración Sistema apto para promociones de viviendas
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Vivimat
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Vivimat
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Vivimat
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Vivimat
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Vivimat
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Sistemas Existentes en el Mercado
SIMON VIS:
Medio: Cableado Par trenzado Topología Física: Estrella Topología Lógica: Centralizada Carácter: Propietario Otras:
Sistema de bajo coste Es un producto danés adaptado al mercado español por la empresa Simón Está basado en un PLC (Controlador Lógico Programable) Permite la utilización de pulsadores eléctricos como interfaz de usuario Muy orientado a control en el propio cuadro eléctrico de la vivienda: elementos de carril DIN
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Simón VIS Características
Sistema centralizado para pequeñas y medianas instalaciones. El sistema alberga como parte principal el Módulo de Control. Control Control de 128 entradas y 128 salidas. Dispone además de 128 programadores semanales independientes.
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Simón VIS Características de las entradas
16 entradas distintas por módulo. 8 conexiones distintas de módulos de entradas al módulo de control. Total: 16 x 8 = 128 entradas Cableado de entradas a 24 V (0,8 mm2). Distancia máxima entre los módulos de entradas y el módulo de control 100m.
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Simón VIS Características de las salidas
8 salidas distintas por módulo. 16 conexiones distintas de módulos de salidas al módulo de control. Total: 8 x 16 = 128 salidas. Cableado de salidas a la tensión que se desee.
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Simón VIS Software TERMVIS
Programación en castellano. Programación mediante diálogo pregunta-respuesta. Requerimientos mínimos del PC. (Con un 286 funciona correctamente)
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Simón VIS Elementos VIS
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Simón VIS Elementos VIS
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Módulo de alimentación 15W Tensión continua y estabilizada de 24 V en el secundario (0,6A) Posibilidad de interconexión con otros módulos de alimentación. 4 Módulos TE de cuadro
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Simón VIS Elementos VIS
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Módulo de Control
128 entradas 128 salidas 128 programadores Consumo 30 mA RS232 para conexión a PC 8 Módulos TE de cuadro
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Simón VIS Elementos VIS
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Módulo de Entradas 24V
16 entradas digitales independientes. Tensión de entradas 24 V c.c. 4 Módulos TE de cuadro.
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Simón VIS Elementos VIS
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Módulo de Salidas 230 V
8 Salidas de relé (en 2 grupos de 4). Tensión de salidas configurable por grupo Imáx. por grupo 10A. 4 Módulos TE de cuadro.
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Simón VIS Elementos VIS
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Módulo de Salidas 24 V
8 Salidas de transistor (PNP). Tensión de salidas 24 V c.c. Ideal para conectar relés para salidas a otras tensiones. 4 Módulos TE de cuadro.
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Simón VIS Elementos VIS
Módulo de Temporizadores
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Interfaz de usuario para modificar los 128 temporizadores semanales del módulo de control. Hora y fecha actual 8 Módulos TE de cuadro.
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Simón VIS Elementos VIS
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Módulo de Módem
Módem telefónico de tonos y pulsos. Comunicación bidireccional (RS485). Homologado. 8 Módulos TE de cuadro.
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Simón VIS Elementos VIS
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Módulo de Dimmer
Regulador de intensidad de luz. Carga mínima 40 W Carga máxima 350W 300 VA (cosϕ ≥0,85) Fusible 1,6 A Utilizable con transformadores convencionales 2 Módulos TE de cuadro
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Simón VIS Elementos VIS
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Módulo de Baterias
Mantiene operativa la información del reloj de 3 a 6 meses. Bobina de relé a 24V c.c. 2 Baterias de 3V Litio tipo CR 2032. 2 Módulos TE de cuadro
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Montaje en el cuadro Configuración mínima
Módulo de alimentación Módulo de control Módulo de entradas Módulo de salidas
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Simón VIS Cableado
Alimentación
Contro l
Entradas
Salidas Domótica: Redes de Sensores y Actuadores
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Sistemas Existentes en el Mercado
Delta Dore:
Medio: Inalámbrico (434, 868 MHz), protocolo X2D Topología Física: Bus Topología Lógica: Distribuida Carácter: Propietario Otras:
Sistema de coste medio Es un producto de una empresa francesa que tiene divisiones fuertes en control, regulación y seguridad RF Sistema Bibanda para dificultar inhibidores Conceptualmente es similar a X-10, pero de forma RF y con mayores posibilidades Fundamento: A cada receptor se le pueden asociar 8 emisores
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Delta Dore
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Otros Sistemas en el Mercado Amigo.
Empresa: Eunea Merlin Gerin (Schneider Electric España, S.A.). Topología: Bus. Protocolo: Batibus.
Sistema
BIODOM.
Empresa: Bioingeniería Aragonesa, S.L. Topología: Corrientes portadoras. La topología será la de la propia red eléctrica. Protocolo: Se basa en el estándar EHS (European Home System).
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Otros Sistemas en el Mercado BJC
Dialogo.
Empresa: BJC. Fábrica Electrónica Josa, S.A. Topología: libre, es decir, permite hacer anillos, bus, estrellas, etc. Lo más habitual es un bus donde se conectan los módulos del sistema. Protocolo: Utiliza el bus de control Lonworks.
DIAloc.
Empresa: Weidmüller. Topología: Utiliza una topología libre.
Protocolo: DIAloc utiliza el protocolo Lonworks.
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Otros Sistemas en el Mercado CARDIO.
Empresa: Secant, comercializado DomoVal Electronic, S.L. Topología: Árbol Protocolo: protocolo propio
en
España
por
SII.
Empresa: SGI Sistemas. Topología: Admite diversas topologías en función del medio de transmisión utilizado. Protocolo: El control de las entradas se realiza mediante un cableado dedicado en estrella. También admite comunicaciones por bus y corrientes portadoras para el control de las salidas.
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Otros Sistemas en el Mercado Starbox
CPL1.
Empresa: Delta Dore. Topología: La propia de la red eléctrica de la vivienda, al utilizarla como medio de transmisión. Protocolo: Utiliza un protocolo de comunicaciones propio para la comunicación a través de la red eléctrica (corrientes portadoras), denominado X2D.
INELI
Empresa: Sonaval S.L. Topología: Estrella, desde el módulo de control a los diferentes módulos de entrada/salida. Protocolo: Se trata de un sistema por cableado dedicado, no sigue ningún protocolo de estandarización. A destacar: integra bien el temas relacionados con distribución de audio.
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Otros Sistemas en el Mercado
PLC:
Propio de grandes instalaciones. Ejemplo típico S7 de Siemens. Proyectos completamente realizados ad hoc.
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