Revista Electrónica de Investigación de Tecnologías Educativas Vol. IV Núm 4 ISSN 2539-2506
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“PROYECTO DE DOMÓTICA PARA EL APOYO AL ÁREA DE AUDIOVISUALES DE LA UNIVERSIDAD PILOTO
DE COLOMBIA SECCIONAL DEL ALTO MAGDALENA”
___________________________________________________________________________________________________________________________________
Bryan Sanchez, Jorge Triana, Alejandro Sanchez Emmanuel Rivera
Semillero de Redes e Infraestructura enREDate, Universidad Piloto de Colombia – Seccional del Alto Magdalena. Girardot, Colombia*
erivera03@upc.edu.co
(Arial, 9 pt)
RESUMEN
La tendencia actual de la sociedad, se ha
inclinado a la inclusión de técnicas de
automatización, lo que puede ser evidenciado en
la creación de soluciones basadas en robótica
para la realización de actividades repetitivas o de
actividades que requieren de tiempo del que el
usuario simplemente no dispone. Igualmente se
han creado tecnologías tendientes a facilitar
considerablemente las actividades cotidianas
que se llevan a cabo en el hogar, como es el caso
de la gestión de existencia de los alimentos en el
refrigerador, la temperatura o iluminación del
ambiente además en el ahorro de energía,
cortando el suministro eléctrico de estos
elementos cuando no son necesarios. Sin
embargo, se tiende a pensar que estas soluciones
están supeditadas a grandes inversiones
monetarias y largos trabajos de desarrollo e
investigación dado que (se piensa) que este tipo
de tecnologías esta aun pobremente
desarrollada, por lo que son consideradas como
un lujo “innecesario” [1]. Este tipo de solución es
perfectamente aplicable en la actividad de
gestión del área de audiovisuales de la
Universidad Piloto de Colombia – Seccional del
Alto Magdalena, donde se busca agilizar la
gestión del área mediante un recurso apoyado
por software y elementos diseñados mediante
tecnologías IoT y domótica con el ánimo de
centralizar y reducir los tiempos de respuesta en
las actividades desarrolladas por los
colaboradores encargados de los recursos
audiovisuales, además de servir como medio de
exploración de estas tecnologías principalmente
en reducción de costos de solución.
Palabras clave: Infraestructura en TI,
Plataforma Tecnológica, Domótica, Internet de las
Cosas, Arduino
.
ABSTRACT
The current trend of society, has been inclined to
the inclusion of automation techniques, which
can be evidenced in the creation of solutions
based on robotics for the performance of
repetitive activities or activities that require time
from which the User simply does not have.
Likewise, technologies have been created to
considerably facilitate the daily activities carried
out in the home, such as the management of the
existence of food in the refrigerator, the
temperature or lighting of the environment, as
well as energy savings, cutting off the power
supply of these elements when they are not
necessary. However, it tends to be thought that
these solutions are subject to large monetary
investments and long development and research
work since (it is thought) that this type of
technologies is still poorly developed, so they are
considered as an “unnecessary” luxury. This kind
of solution is perfectly applicable in the
management activity of the audiovisual area of
the Pilot University of Colombia - Seccional del
Alto Magdalena, where it is sought to streamline
the management of the area through a resource
supported by software and elements designed
using IoT and home automation technologies
with the aim of centralizing and reducing
response times in the activities carried out by
collaborators in charge of audiovisual resources,
as well as serving as a means of exploring these
technologies, mainly in reducing solution costs.
Keywords: IT Infraestructure, Technological
Platform, Domotics, IoT, A
PROBLEMA
En el área de audiovisuales de la universidad
Piloto de Colombia Seccional del Alto
Magdalena se debe cubrir la gestión de
espacios dispuestos en 4 grandes secciones
(A, B, D y planta administrativa), en lo que a
aulas de clase, recursos audiovisuales e
informáticos se refiere, sin incluir las salas de
cómputo. Uno de los principales
inconvenientes radica en que los colaboradores
encargados del área deben estar presentes en
todos los salones que tengan clase en la
jornada educativa normal, lo cual requiere el
recorrido de casi todas las instalaciones,
provocando demoras en el ingreso a clases, sin
considerar posibles hechos fuera de lo común
como la llegada no oportuna de uno o varios
docentes o la solicitud de recursos adicionales
para la clase o la apertura de salones
adicionales en horarios no convencionales.
A lo anterior se debe sumar algunos
inconvenientes adicionales como son la
regulación de la temperatura de los salones, ya
que por cuestiones de clima en ocasiones están
muy fríos o no hay suficiente refrigeración del
aire, lo que hace que no haya un consumo
eficiente de energía.
Relacionado con esta área, también está la
necesidad de llevar un control de acceso a los
salones conforme a la programación horaria de
las clases y la intensidad de tiempo de las
mismas, ya que cada docente debe registrar
mediante aplicativo web la guía a desarrollar
durante la clase lo que hace que demore aún
más el proceso de ingreso y salida de las clases
consumiendo el tiempo de enseñanza-
aprendizaje en el aula.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, es innegable el avance que ha
tenido la tecnología en diversos campos de la
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vida cotidiana y entre ellos el confort, la
seguridad, las comunicaciones y el ahorro
energético han venido convergiendo en un
campo que ha sido denominado la Domótica [1].
Sin embargo, este tipo de proyectos,
desarrollos o trabajos de investigación son
considerados como “dispositivos costosos…
vistos como lujos innecesarios” [2].
A pesar de ello, en entornos universitarios
como el campus de la Universidad Piloto de
Colombia Seccional del Alto Magdalena, en
especial para los estudiantes y docentes de la
carrera de Ingeniería de Sistemas, se convierte
en un área bastante interesante y provechosa
puesto que en este tipo de tecnología se reúnen
campos del conocimiento como Ingeniería de
Software, Algoritmia, Programación y un gran
etc.
Lo que se busca con la exploración de este tipo
de tecnologías, es la oferta de soluciones
propias de bajo costo a problemáticas
particulares como es el caso del área de
audiovisuales de la universidad, la cual tiene
inconvenientes de gestión de los recursos y
tiempos de respuesta. La intención es que
desde el mismo seno de la universidad se
puedan generar soluciones que provean de
sistemas integrales a las áreas en cuestión,
para realizar su labor de forma eficiente y
satisfactoria.
METODOLOGÍA
Considerando el amplio espectro de posibles
soluciones informáticas y tecnológicas
disponibles para dar respuesta a la necesidad
antes descrita, la primera actividad a
desarrollar en este proyecto es el
planteamiento de una metodología de
selección imparcial de selección de soluciones,
que sirva como marco de referencia para
invertir los recursos de tiempo e investigación
en una alternativa adecuada como respuesta a
esta necesidad. La metodología de selección
usada en este proyecto se describe en la
monografía desarrollada por David Zornosa
[3]. Esta metodología consta de las siguientes
actividades principales y sub-actividades
clasificadas a continuación:
• Método Sistémico.
• Caracterización de soluciones.
• Método Analítico.
• Convergencia de soluciones.
• Impacto de la solución en observación.
• Método Experimental.
• Herramientas necesarias para el
desarrollo de la solución.
• Estudio comparativo de soluciones en
observación.
• Valoración de nivel de pertinencia de
solución.
A continuación, se procede a describir de
manera general los literales anteriores. Se debe
tener en cuenta que no es posible describir
todas las soluciones abordadas, por lo que se
procede a discutir sobre la opción seleccionada
al final del ejercicio.
Método Sistémico
Este método se basa en la relación y definición
de cada uno de los factores que influyen o
convergen en determinada actividad con un
objetivo determinado o según la definición
dada por Bunge “obedece a la propiedad de los
objetos de ser y pertenecer a un Sistema” [3]
.
Considerando lo anterior es necesario
describir los elementos involucrados en esta
actividad y sus relaciones con el ánimo de
determinar las necesidades reales del área de
audiovisuales de la universidad.
•
Las jornadas de trabajo que debe cubrir el
área están comprendidas entre las 8:00
y 22:00 del día.
•
Las áreas que deben ser cubiertas por los
colaboradores del área comprenden las
aulas de clase distribuidas entre las
plantas A,B y D y la planta administrativa,
que a su vez dispone de una sala de
reuniones, en la que ocasionalmente se
llevan a cabo clases.
•
En cada una de las aulas de clase de debe
permitir y controlar el acceso de los
docentes para la realización de las clases.
•
Los docentes igualmente registran el
itinerario de la clase a realizar en una
aplicación web de acuerdo a la
programación y contenidos de la
asignatura.
•
Igualmente, los docentes pueden solicitar
recursos del área de audiovisuales como
videobeam, cables de audio y vídeo,
portátil para realizar presentaciones, etc.
•
En ocasiones los docentes, por diversos
factores, es posible que no se presenten
a la hora exacta de la clase por lo que es
necesario ponerse en contacto con el
encargado de audiovisuales para realizar
la apertura del aula en cuestión.
•
Los encargados de audiovisuales
procuran encender los aires y tener
preparadas las aulas antes de las
jornadas educativas cotidianas, para que
el ambiente esté preparado una vez se
inicie la clase.
•
Terminada la clase, se procede a cerrar el
aula o en su defecto pasa del control del
docente actual al docente siguiente,
quien queda a cargo del aula dado el
horario de clases.
•
Una vez terminada la jornada educativa,
el responsable de audiovisuales
nuevamente recorre las instalaciones
asegurándose de que todas las aulas han
sido debidamente cerradas y que los
elementos internos de cada una de ellas
están presentes como al inicio de la
jornada.
Conforme a la descripción anterior se presenta
el siguiente diagrama que describe de forma
gráfica las entidades y relaciones presentes en
el sistema gestionado por el área de
audiovisuales.
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Figura 1. Entidades y relaciones del sistema.
Método Analítico
De acuerdo con las pruebas de concepto
realizadas y de funcionamiento usando diferentes
modelos de placa reducida se convino las bases
de construcción mínimas de cada módulo que
deberán cumplir conforme a las siguientes
características.
• Portabilidad. El tamaño del módulo
debe permitir facilidad de transporte e
instalación.
• Alimentación. El módulo debe poder
conectarse a la red eléctrica del sitio a gestionar
directamente, sin adaptadores ni elementos
intermedios.
• Cantidad Reducida de Elementos.
Considerando su tamaño, los elementos internos
de cada módulo deben ser mínimos.
• Conectividad. Los módulos deben
disponer tanto de los medios necesarios para
cumplir su función como ofrecer los medios de
conexión necesarios para llevar a cabo la
comunicación con el servidor de la forma más
sencilla y económica posible.
• Materiales. Los materiales utilizados
deben ser fáciles de conseguir o en su defecto
deben permitir el uso sencillo de parte del usuario
una vez sea desplegado el módulo.
Teniendo en las características ofrecidas por las
tecnologías de placa reducida, como en el caso
de Arduino definida como:
“Es una plataforma electrónica de código abierto
que dispone de hardware y software fácil de usar.
Arduino es capaz de leer en sus entradas
sensores de luz, el oprimir un botón o un mensaje
de Twitter y como salida activar motores,
encender leds, publicar cosas online. Para que la
tarjeta trabaje se debe establecer un set de
instrucciones al microcontrolador contenido en
ella. Para ello se usa el lenguaje de programación
de Arduino (basado en Wiring) y el IDE de
programación de Arduino (basado en
processing).” [4]
Como se puede inferir de su definición Arduino
ofrece varias de las características necesarias
para desarrollar los módulos. Sin embargo al
momento de consultar los costos y realizar
pruebas en las soluciones de conectividad se
encontró que a pesar de encontrar un gran
número de sensores y extensiones disponibles
para ser usados con Arduino [5], esto incrementa
considerablemente los costos de producción de
los módulos. Por ello se procedió a evaluar otras
alternativas en placa reducida encontrando los
módulos ESP8266 [6] y compatibles que son
capaces de ofrecer conectividad Wi-Fi y
Bluetooth a bajo costo además de ser posible
programarlos mediante librerías Open-Source
adicionales en el IDE de Arduino, lo cual supone
una ventaja adicional e igualmente es posible
conectar los módulos disponibles para Arduino
con ESP8266.
Método Experimental
Una vez identificados los elementos a utilizar y
las características que cada uno de los módulos
debe cumplir en el sistema integral de solución,
se define por último las funciones y
procedimiento de construcción de las pruebas de
concepto de los módulos de la primera fase
(determinada por los costos de adquisición de los
elementos necesarios). Los elementos de
construcción, generales y su función son los
siguientes:
Tabla 1. Componentes comunes de
construcción de módulos.
Elemento
Función
Unida
d
Costo
Caja de
repartición
plástica
10X10 CM
con tapa.
Servir de base
de
construcción
de los módulos
1 UN
$1.000
Clavija de
Caucho de
Tres Puntos
Conexión a la
red eléctrica
domiciliaria.
1 UN
$3.500
Cable
encauchetado
3X16
Conexión a la
red eléctrica
domiciliaria.
15
CM
$1.000
NodeMCU
(Esp12E)
Microcontrolad
or de placa
reducida para
programación
de funciones.
1 UN $20.00
0
Protobard
Mini
Base de
conexiones
para los
elementos del
módulo.
2 UN
$5.400
Cables
Dupont
10CM
Conectividad
entre
elementos del
módulo.
10
UN
$1.000
Cargador de
celular 5V
Alimentación
de los
elementos
internos del
módulo.
1 UN
$5.000
Mosfet
2n7000
Level Shifter
(Elevador de
niveles de
señal) entre
sensores y
microcontrolad
or.
1 UN
$2.000
Gestiona
Hace Uso
Permite Acceso
Registra
Colaborador
Software
Docente
Aula
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Resistencias
1KOHM
Complemento
de Level
Shifter.
5 UN
$500
Termoencogi
ble
Sello de
conexiones de
cables entre
componentes.
1 UN $1.000
Estaño y
Pasta de
Soldadura
Sello de
conexiones de
cables entre
componentes.
1 UN
$2.000
Todos los módulos como mínimo disponen de
estos elementos a los cuales se adicionan los
elementos característicos de cada módulo
como son:
•
Módulo de movimiento. Sensor
piroeléctrico de movimiento HCSR501.
•
Módulo de switch. Relé de estado sólido.
•
Módulo de control remoto. Led IR
Receptor VS1838 y Led Emisor IR.
•
Módulo de variación de voltaje. Dimmer
BT132 1KW.
•
Módulo de temperatura. Sensor DHT11 y
Display LCD1602.
Estos módulos fueron construidos y puestos a
prueba mediante pruebas de concepto
independientes cada una con una duración
proporcional al nivel de complejidad del
funcionamiento de cada módulo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Fruto de la solución seleccionada se
desarrollaron pruebas de concepto de las cuales
se obtuvieron 4 módulos capaces de funcionar de
manera independiente, con miras a funcionar
como un sistema integral que sea capaz de ser
adaptado, tanto a la problemática descrita
anteriormente en el presente documento, como a
problemáticas asociadas a la automatización de
procesos asociados a la domótica de sitios con
características similares a las aulas de clase.
Para ilustrar estos módulos se muestran los
siguientes diagramas de bloques, que describen
de manera general el funcionamiento interno
además del objetivo por el que fue necesario
desarrollarlos.
Figura 2. Funcionamiento general del sistema
propuesto.
La intención de desarrollar este sistema, es que
mediante un módulo central se pueda llevar a
cabo la gestión de una serie de módulos
particulares bajo demanda, conforme a las
necesidades del entorno abordado por la
solución. Igualmente estos módulos centrales
serían usados uno por cada aula de clase que se
desee administrar y que a su vez serían
gobernados por un software central, que
permitiría al operador de turno llevar a cabo la
gestión remota de los entorno administrados por
los módulos.
Estos módulos a su vez tendrían diseños
similares a los descritos por los siguientes
diagramas.
Figura 2. Diagrama interno módulo servidor.
Figura 3. Diagrama general de construcción de
módulos.
Considerando este diseño se puede observar que
el servidor tiene la posibilidad de tener
conectividad alámbrica, para la gestión del
módulo central, e inalámbrica, para los módulos
presentes en el espacio a gestionar. La solución
se basa en tecnología de placa reducida, en
concreto Arduino Mega 2560 para el servidor y
para control y comunicaciones Esp32 y
Esp8266 (NodeMCU) todo ello programado en el
entorno o IDE Arduino con librerías y código
abierto en aras de reducir los costos de
desarrollo y puesta en marcha al mínimo.
A pesar de llevar a cabo la construcción estos
módulos aun es necesario que sean integrados en
único sistema para que funcione de manera
integral. De igual manera se debe seguir
trabajando para desarrollar el software que será
responsable de llevar a cabo la gestión de estos
módulos y ofrezca la información de los entornos
al operador de turno.
Las pruebas de concepto, concebidas como
aquellas que permiten determinar la viabilidad y
la pertinencia (entre otros aspectos) de la
solución en desarrollo [7], fueron realizadas con
cada módulo de forma aislada usando peticiones
GET enviadas haciendo uso del software
Postman [8]. Este tipo de peticiones fueron
dispuestas para facilitar la integración de los
módulos a un único sistema que se encargará del
envío y recepción de estas peticiones para
cambiar y determinar el estado de los módulos
cuando estén siendo utilizados.
Los desarrollos complementarios serán
desarrollados en fases posteriores, debido a
diferentes dificultades entre las que se cuentan
el capital de inversión para la adquisición de
material de prueba, tiempo de desarrollo para la
integración de los módulos a un único sistema y
por último la incapacidad médica del tutor de
semillero.
En cuestión de costos, conforme a las pruebas
realizadas se pudo determinar la siguiente tabla
de valores que determinarían los valores de los
módulos que se tiene proyecto desarrollar en
total.
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Figura 4. Costos de material de módulos.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• Las pruebas de campo no han sido
realizadas, por lo que es necesario llevar
a cabo la integración de los módulos para
poder llevar a cabo esta actividad.
• Las pruebas de concepto realizadas con
los módulos desarrollados hasta ahora,
permiten en cierta forma comprobar la
pertinencia de la solución propuesta
además de aumentar el panorama de
aplicación que podría tener el sistema
una vez sea integrado. Tal es el caso de
empresas como Domótica Integrada [9]
que ofrecen servicios de instalaciones de
este tipo.
• Es necesario proyectar con mayor
precisión la serie de actividades
necesarias para llevar a cabo las tareas
restantes de integración y puesta en
marcha de la solución.
• Hasta el momento se considera que el
uso de placa reducida, en especial
NodeMCU (ESP12S) ayudan
considerablemente a la reducción de
costos gracias a que permiten la
programación de acciones de módulo a la
vez de ofrecer conectividad inalámbrica.
• Un factor no mencionado y que aumenta
el nivel de dificultad del desarrollo y
programación de los módulos junto con
su integración es no contar con la
orientación profesional de un experto en
electrónica. Esto ha llevado a que en gran
medida el desarrollo sea de prueba y
error conforme a la información
encontrada en bibliografía
principalmente de Internet.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] M. ZAMORA, J. SANTA y A. GOMEZ, «An
Integral and Networked Home Automation
Solution for Indoor Ambient Intelligence,»
Pervasive Computing IEEE, pp. 66-77, 2010.
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de Sistema Domótico de Bajo Costo,» Revista de
Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia,
pp. 117-128, 2012.
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SELECCIÓN DE SOLUCIONES TECNOLÓGICAS
DE,» Universidad Santo Tomás, Bogotá, 2016.
[4] M. BUNGE, Philosophical Dicttionary, New
York: Prometeus, 2003.
[5] ARDUINO, «What is Arduino?,» 26 10
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https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction.
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[6] P. PORCUNA, Robótica y Domótica Básica
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ESP8266, Birmingham: Packit Publishing,
2016.
[8] CENTRO NACIONAL DE CONSULTORÍA,
«Prueba de Concepto,» 1 06 2017. [En línea].
Available:
https://www.centronacionaldeconsultoria.com/
single-post/prueba-de-concepto. Recuperado:
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[9] POSTMAN, «Collaboration Platform for API
Development,» 24 05 2012. [En línea].
Available: https://www.getpostman.com/.
Recuperado: 2019-10-27.
[10] INSTALACIONES DOMOTICAS
INTEGRADAS SL, «Domótica para el Hogar,
Soluciones Económicas para Vivienda
Inteligente,» 16 05 2018. [En línea]. Available:
https://domoticaintegrada.com/domotica-para-
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