DomoSync
El desarrollo de este apartamiento inteligente es un proyecto de domótica enfocado en la integración de varios subsistemas bajo un control centralizado a través de un microcontrolador, la Raspberry Pi Pico 2040. El sistema incluye un sensor de reconocimiento de ruido, que detecta aplausos para encender o apagar la luz de un cuarto, y un teclado matricial que permite el control de acceso a la puerta principal de la casa al ingresar un código correcto. Además, el sistema utiliza un sensor de temperatura, que en conjunto con un controlador PI, ajusta la velocidad de un ventilador para mantener la temperatura deseada en el ambiente. Para la detección de movimiento, se implementa un sensor PIR, el cual activa la luz de la puerta principal cuando detecta alguien cerca a la puerta principal. Todos estos subsistemas están conectados a una pantalla LCD, que muestra el estado de los sensores y el acceso, proporcionando información en tiempo real. Así, cada subsistema se comunica con la RP2040, la cual procesa las entradas de los sensores y toma decisiones como encender luces, abrir la puerta o ajustar la ventilación. El diagrama de bloques mostrado a continuación ilustra la interacción entre los componentes principales del proyecto.
El sistema activará o desactivará la lámpara de noche mediante el reconocimiento de tres aplausos. El sensor de audio se comunica con la Raspberry Pi Pico a través de comunicación digital directa (GPIO) o analógica. Al emplear un sensor analógico, este enviará una señal proporcional a la intensidad del sonido, la cual se conecta a un pin ADC para procesar los datos con mayor precisión, permitiendo ajustar la sensibilidad del sistema. Cuando la lámpara esté apagada y se detecte tres aplausos, esta se encenderá; si ya está encendida, tres aplausos la apagará. El sistema debe procesar la entrada de sonido en un tiempo máximo de 1 segundo para asegurar una respuesta rápida y evitar retrasos. Este sistema se usa también para el control con 2 aplausos de la luz de la habitación.
La puerta principal se desbloqueará mediante la introducción de un código de 4 dígitos en el teclado. Si el usuario no ingresa el código completo en un plazo máximo de 10 segundos, el sistema reiniciará el proceso, obligando a introducir nuevamente la clave. Al ingresar un código incorrecto, se activará una alarma visual y se mostrará "Acceso denegado" en el LCD. También se ha habilitado la opción de cambio de contraseña del usuario a través de la digitación de 4 'F's como clave de acceso, posterior ingreso del ID y clave actual y finalmente ID y clave nueva, la cual no puede ser 'FFFF'. La comunicación entre el teclado y la Raspberry Pi Pico se realizará a través de pines GPIO, garantizando una respuesta rápida y precisa. Adicionalmente, el sistema asegurará que los datos introducidos sean procesados de manera eficiente, minimizando errores de lectura.
El sistema ajustará la velocidad del ventilador mediante un control PI, basado en las lecturas de temperatura obtenidas cada 2 segundos por un sensor analógico. La velocidad del ventilador se ajustará proporcionalmente en función de valores de referencia predefinidos para mantener una temperatura agradable en el ambiente. Si la temperatura alcanza un límite máximo (por ejemplo, 30°C), el ventilador operará a su máxima velocidad, y si desciende por debajo de un límite mínimo (por ejemplo, 18°C), el ventilador se apagará para optimizar el consumo energético. La comunicación con el sensor de temperatura podría realizarse utilizando protocolo analógico para capturar las variaciones continuas del ambiente, mientras que el control del ventilador podría gestionarse mediante GPIO o PWM.
El LCD mostrará información relevante sobre el estado del sistema, incluyendo notificaciones de acceso autorizado o denegado y la condición operativa de dispositivos conectados, como el ventilador. El procesamiento de datos garantizará que la pantalla se actualice con un tiempo de respuesta máximo de 2 segundo, brindando al usuario una retroalimentación clara. La comunicación I2C permitirá la transmisión eficiente de datos entre el microcontrolador y la pantalla, siendo este el protocolo de comunicación del LCD, minimizando interferencias. Para evitar solapamientos, se implementará una separación clara en los tiempos de comunicación entre el LCD y el sensor de temperatura, asegurando que no se envíen datos al LCD mientras se leen los valores del sensor. Además, se priorizarán las tareas; si se recibe una entrada del teclado, se dará prioridad a su procesamiento, permitiendo que la lectura del sensor de temperatura se posponga brevemente si es necesario, sin comprometer la frecuencia de actualización del sensor. En términos de seguridad, se implementará un control de errores básico para evitar lecturas erróneas o datos incompletos durante la comunicación.
El sensor IR se utilizará para detectar movimiento y encender la luz del cuarto al reconocer la presencia de una persona. El sistema garantizará un procesamiento eficiente, con un tiempo de respuesta máximo de 3 segundos, asegurando que la luz se encienda rápidamente al detectar movimiento. El sensor IR proporciona una salida digital, generando un pulso alto al detectar movimiento y volviendo a bajo cuando no se detecta presencia. Este pulso se conectará directamente a un pin GPIO de la Raspberry Pi Pico, lo que facilita una respuesta rápida. Al dejar de detectar personas en la cocina, se apaga inmediatamente la luz de la cocina.
El sistema utilizará un sensor de luz digital para detectar la intensidad lumínica exterior y encender automáticamente la luz de la calle (puerta principal) al anochecer. Este sensor proporcionará una salida digital, enviando un pulso alto cuando la luz ambiental caiga por debajo de un umbral predefinido (indicado como "noche") y un pulso bajo cuando haya suficiente luz (indicado como "día"). Este pulso se conectará directamente a un pin GPIO de la Raspberry Pi Pico, permitiendo un control rápido y eficiente de la iluminación. El tiempo de respuesta del sistema será de un máximo de 10 segundos para reaccionar a cambios en la luz ambiental. Además de esto el sistema también permitirá ajustes en el umbral de detección de luz, ofreciendo al usuario la posibilidad de definir cuánta oscuridad se necesita para encender la luz.
El sistema es propenso a fallos de software por los múltiples sensores empleados no es posible garantizar el correcto funcionamiento de todo el sistema en general. Sin embargo, es posible garantizar ciertas características individuales de los componentes del sistema.
La base de datos del sistema de acceso debe ser capaz de almacenar por lo menos hasta 8 usuarios diferentes.
El LCD facilita al usuario visualizar el estado de los sensores y muestra mensajes que confirman si el acceso ha sido autorizado o denegado.
El sistema de acceso debe ser capaz de notificar al usuario si el acceso ha sido autorizado o denegado en menos de 5 segundos después de digitadas la ID y contraseña de usuario.
- Escenario 1: Prueba del Sensor de Ruido (Aplauso)
Condición inicial: La luz del cuarto está apagada.
Acción: Aplaudir 2 veces cerca del sensor.
Resultado esperado: La luz del cuarto debe encenderse en respuesta a los 2 aplausos.
Prueba adicional: Aplaudir nuevamente debe apagar la luz.
- Escenario 2: Prueba del Sistema de Acceso (Teclado matricial)
Condición inicial: La puerta está cerrada.
Acción: Ingresar un código de 6 dígitos en el teclado matricial.
Resultado esperado: Si el código es correcto, el actuador (servomotor) debe desbloquear la puerta y en la LCD se debe mostrar un mensaje de “Acceso concedido”. Si el código es incorrecto, la puerta debe permanecer cerrada y el LCD debe mostrar “Acceso denegado”.
Pruebas adicionales: Ingresar un código erróneo varias veces para asegurar que el sistema maneja bien los errores de autenticación y el bloqueo de usuarios. Verificar el funcionamiento de las opciones de cambio de contraseña de un residente y agregación o eliminación de usuario de un residente.
- Escenario 3: Prueba del Control de Temperatura (Ventilador con control PI)
Condición inicial: La temperatura ambiente es baja, y el ventilador está apagado o funcionando a velocidad mínima.
Acción: Simular un aumento en la temperatura ambiente utilizando una fuente de calor controlada cerca del sensor.
Resultado esperado: A medida que la temperatura aumenta, el control PI debe ajustar la velocidad del ventilador de manera gradual para mantener la temperatura estable dentro de un rango definido.
Prueba adicional: Al retirar la fuente de calor, la velocidad del ventilador debe disminuir o apagarse conforme la temperatura vuelva a su nivel normal.
- Escenario 4: Prueba del Sensor IR (Movimiento)
Condición inicial: No hay movimiento en la habitación o área cubierta por el sensor IR, y la luz de la puerta principal está apagada.
Acción: Caminar dentro del área de detección del sensor PIR.
Resultado esperado: La luz de la puerta principal debe activarse un lapso de tiempo breve tras la detección de movimiento.
- Escenario 5: Prueba de Monitoreo en LCD
Condición inicial: El sistema está encendido y los sensores están activos.
Acción: Monitorear las actividades de cada uno de los sensores mencionados anteriormente, asegurando que la LCD muestre el estado de acceso, el funcionamiento de los sensores de luz, PIR, y temperatura en tiempo real.
Resultado esperado: La LCD debe actualizarse dinámicamente, mostrando el estado del sistema en todo momento sin retrasos de tiempo significativos. El muestreo del estado del sistema debería ser con avisos del estado de cada sensor que se visualicen en la LCD, mostrados en intervalos de tiempo distintos. Mientras que los avisos relacionados con el sistema de acceso interrumpen la visualización de los avisos anteriores sólo cuando se ha realizado un intento de autenticación de usuario, para cualquiera de las opciones disponibles para la persona.
Lista de Componentes y Costos:
o Aliexpress: $4250 (precio de bienvenida) + $8700 (envío). Entrega en 15-21días. https://es.aliexpress.com/item/1005002733449265.html?spm=a2g0o.productlist.main.13.3d80ANdyANdyrt&algo_pvid=906cd4d2-fc49-4069-a30b-2b62506e82f2&utparam-url=scene%3Asearch%7Cquery_from%3A
o Sigma Electrónica: $35700 + Costo de Envío. https://www.sigmaelectronica.net/producto/rpi-pico-w/
o I+D didácticas Electrónica: $44625 https://didacticaselectronicas.com/index.php/component/virtuemart/view/productdetails/virtuemart_product_id/12335/virtuemart_category_id/230
o Bigtrónica: Adaptador de Voltaje 5V 1A. $6500 https://www.bigtronica.com/fuentes-de-alimentacion/adaptadores/220-adaptador-de-voltaje-5v-1a-5053212002206.html
o Bigtrónica: Adaptador de Voltaje 5V 3A. $12000. https://www.bigtronica.com/fuentes-de-alimentacion/adaptadores/66-adaptador-de-voltaje-5v-3a-5053212000660.html
o I+D didácticas Electrónica: Adaptador 5V – 3A. $13900 https://didacticaselectronicas.com/index.php/component/virtuemart/view/productdetails/virtuemart_product_id/6378/virtuemart_category_id/824
o Sigma Electrónica: Fuente 5V 2A. $23800 https://www.sigmaelectronica.net/producto/fuente5v2aplug/
o I+D didácticas Electrónica: Display LCD 16x2 interfaz I2C. $17500 https://didacticaselectronicas.com/index.php/component/virtuemart/view/productdetails/virtuemart_product_id/11418/virtuemart_category_id/397
o I+D didácticas Electrónica: Display LCD 20x4 interfaz I2C Amarillo. $32300 https://didacticaselectronicas.com/~didactic/index.php/view/productdetails/virtuemart_product_id/11676/virtuemart_category_id/397
o Sigma Electrónica: Display LCD 20x4 Interfaz I2C Amarillo. $35700 + envío https://www.sigmaelectronica.net/producto/lcd2004a-ama-i2c/
o I+D didácticas Electrónica :Teclado Matricial de Membrana 4x4. $4300 https://didacticaselectronicas.com/~didactic/index.php/view/productdetails/virtuemart_product_id/1157/virtuemart_category_id/2
o I+D didácticas Electrónica: Teclado matricial de 16 teclas (4x4). $15800 https://didacticaselectronicas.com/~didactic/index.php/view/productdetails/virtuemart_product_id/202/virtuemart_category_id/2
o Bigtrónica: Teclado Matricial 4x4. $15000 https://www.bigtronica.com/sensores/touch/3432-teclado-matricial-4x4-5053212034320.html
o Bigtrónica: Motor DC 3 – 6V. $2000 https://www.bigtronica.com/motores/dc/2591-motor-42vdc-20000rpm-con-helices-5053212025915.html?search_query=motor&results=317
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Hélice
o Bigtrónica: Aspa Plástica 50mm. $1700 https://www.bigtronica.com/robotica-kit-s/poleas-pinones/2163-aspa-plastica-50mm-5053212021634.html?search_query=helice&results=28
o I+D didácticas Electrónica. Ventilador 5V 0.18A 50x50x10mm $7050 https://didacticaselectronicas.com/~didactic/index.php/view/productdetails/virtuemart_product_id/7644/virtuemart_category_id/791
o LM35 $10000 + Placa de circuito Impreso $1600 + resistencia + amplificador LM358 $500
o Bigtrónica: Sensor de Temperatura y Humedad I2C HTU21D. $18000 https://www.bigtronica.com/sensores/temperatura/1175-sensor-de-humedad-y-temperatura-htu21d-5053212011758.html?search_query=sensor+de+temperatura&results=732
o Bigtrónica: Módulo Sensor de Temperatura Analógico Termistor NTC. $4500 https://www.bigtronica.com/sensores/temperatura/145-sensor-temperatura-analogo-tarjeta-5053212001452.html?search_query=sensor+de+temperatura&results=732
o I+D Didáticas y electrónica. Sensor de temperatura y humedad AHT21B $15200 https://didacticaselectronicas.com/~didactic/index.php/component/virtuemart/view/productdetails/virtuemart_product_id/11144/virtuemart_category_id/42
o I+D Didáticas Electrónicas. $3400 https://www.didacticaselectronicas.com/index.php/view/productdetails/virtuemart_product_id/6855/virtuemart_category_id/355
o Bigtrónica: $3200 https://www.bigtronica.com/sensores/luz/143-tarjeta-sensor-de-luz-ldr-5053212001438.html?search_query=sensor+de+luz&results=323
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MDF 4mm
o HomeCenter. MDF 4mm. 1.83x2.44m. $59900. $13.638m² https://www.homecenter.com.co/homecenter-co/product/884235/mdf-4mm-183x244-metros/884235/
Herramientas y Equipos:
- Visual Studio - Raspberry Pi Pico
- Fusion 360 – Diseño de Prototipo
- Fuente de 19.4 voltios con regulador de voltaje de 5 voltios y 9 voltios
Costos de Diseño y Prototipado:
- Cortadora Laser disponible en el laboratorio de prototipado de la Universidad de Antioquia
- Software para diseño de corte laser: Fusion 360.
- Madera MDF.
Más económico:
- Componentes = $55500
- Prototipado = $60000
- TOTAL = $115500 Más costoso:
- Componentes = $147000
- Prototipado = $60000
- Total = $207000