PROTOCOLOS EN DOMÓTICA

Todo el mundo habla del hogar digital, conectado o domótico, pero pocos hablan de los distintos protocolos utilizados para crearlo.

La elección del protocolo para tu instalación domótica determinará qué dispositivos compatibles con este protocolo puedes utilizar, por eso será lo primero que deberás elegir si decides domotizar una vivienda o edificio.




Los protocolos más conocidos son Bluetooth y WiFi, pero la domótica también se comunica a través de KNX, X10, Lonworks, ZigBee o Z-Wave, como veremos a continuación.

Índice de Contenidos:

- ¿Qué son los Protocolos de Comunicación?
- Protocolos Abiertos y Cerrados
- ¿Qué debe especificar un Protocolo?
- Protocolos Específicos Para Domótica
- La Estandarización de los Protocolos

¿Qué son los Protocolos de Comunicación?

Los protocolos son reglas de comunicación que se agrupan para permitir el flujo de información entre dispositivos.

Podemos decir que es el equivalente al lenguaje de comunicación usado por 2 personas para entenderse, pero para dispositivos.

Cuando hablamos de dispositivos en domótica hablamos de los sensores, actuadores, alarmas, elementos de salida, etc, es decir, todo lo aparatos que podemos poner en una instalación domótica tanto para viviendas como edificios o en la industria.

Si queremos que 2, 3, 4 o el número que  sea de dispositivos se comuniquen, tiene que ser a través del mismo protocolo, y los todos tienen que ser capaces de entender ese protocolo, de otra forma no podrán comunicarse.

Es similar a si una persona habla inglés y otra aleman, no se entenderán, pero si las 2 personas saben español, usando ese idioma ahora si podrán entenderse e intercambiarse información.

Está claro que esas 2 personas utilizarán el Español cuando quieran comunicarse, pero eso no significa que no existan muchos más lenguajes.

Resumiendo: Tanto los sensores, como los detectores, actuadores o cualquier dispositivo utilizado en domótica intercambian información empleando una reglas que se agrupan todas ellas en un protocolo.

Normalmente estas reglas o protocolos están normalizadas y pueden ser públicas, es decir cualquiera puede ver cómo se comunican los equipos y por eso se llaman protocolos abiertos.

También pueden ser protocolos cerrados o privados, es decir, si quieres saber cómo se comunican, tienes que comprar dicha información.

Protocolos Abiertos y Cerrados

Los sistemas domóticos con protocolos abiertos son sistemas que utilizan protocolos que están disponibles gratuitamente para todos.

Se podría decir que muchos dispositivos diferentes hablan el mismo lenguaje.

La ventaja de los sistemas abiertos radica en el diseño flexible de los componentes del dispositivo.

Los dispositivos de diferentes fabricantes pueden comunicarse entre sí y pueden controlarse a través de una plataforma.

Esto significa una gran facilidad de instalación para el usuario final, siendo esto un factor crucial para el éxito de la inmersión de la domótica en las viviendas como algo cotidiano.

Por un lado, el usuario tiene cierta libertad en la selección de dispositivos,  sin embargo, por otro lado, pueden surgir problemas en la comunicación entre el módulo de control y el dispositivo individual, ya que estos no provienen de una sola fuente y pueden no estar coordinados de manera óptima entre sí.

Los sistemas domóticos con protocolos cerrados son, a su vez, sistemas que usan protocolos secretos y privados, es decir, que solo se pueden usar en ciertos aparatos.

A menudo son desarrollados y utilizados por una sola empresa.

Estos sistemas a menudo no son compatibles con dispositivos de otros fabricantes.

Se podría decir aquí que los dispositivos de diferentes fabricantes hablan diferentes idiomas y no se entienden entre sí.

Ten en cuenta que si optas por un sistema cerrado, estarás limitado a la hora de elegir los dispositivos.

Pero también es verdad que los protocolos utilizados están coordinados de manera óptima, por lo que siempre se comunican y funcionan perfectamente entre sí porque provienen del mismo fabricante.

¿Qué Debe Especificar un Protocolo?

Los protocolos son necesarios para la comunicación eficaz y deben incluir lo siguiente:

- Cómo se identificará el  emisor y el receptor del mensaje.

- El Idioma y la gramática común utilizada

- La velocidad y el momento de entrega de la información

- Los requisitos de confirmación o acuse de recibo cuando el mensaje llega o no llega.

- Cómo se codifican los mensajes

- Las opciones de entrega del mensaje

- El formato y encapsulamiento del mensaje

- La sincronización del mensaje

- El tamaño del mensaje

Además, sobre todo en domótica, debe explicar como mínimo:

- De qué forma se pondrán las direcciones de los dispositivos dentro de la instalación.

- Si el destinatario debe enviar un acuse de recibo cuando le llega la información al que se la envió, o no es necesario.

- El número de intentos que debe reenviar los datos si no le llegan al destinatario.

- Qué mecanismos utiliza para detectar posibles errores.

Además, algo muy importante en los protocolos domóticos es la seguridad, no olvidemos que estamos transmitiendo información privada de casas e industrias, y con una buena seguridad en el protocolo evitaremos situaciones indeseadas.

Protocolos Específicos en Domótica

Primero veamos un poco de historia de los primeros protocolos domóticos, algunos actualmente obsoletos, y luego veremos los que se utilizan actualmente.

La mejor forma de entender donde estamos es saber de dónde venimos.

EIBA (European International Business Academy): se fundó en 1974.

Es un protocolo abierto, que cubre aspectos de automatización de edificios, como luces, persianas, aire acondicionado, calefacción o alarmas por ejemplo.

La fuente de alimentación puede venir por el medio de comunicación (par trenzado o línea de corriente), aunque en algunos casos, como en radio frecuencia, es necesaria una línea de alimentación aparte.

BatiBUS: Dentro de los buses industriales en Europea se ha utilizado dentro del marco domótico el bus BatiBUS. Fue desarrollado por la empresa francesa Merlin.

Se basa en la tecnología de par trenzado pudiendo transmitir hasta 4800 bps (comprobar).

El sistema es centralizado, pudiendo controlar cada central hasta 500 puntos de control.

El estándar se ha quedado obsoleto debido a sus limitaciones y actualmente se está intentando integrarlo junto a los estándares EIB y EHS

EHS (European Home System): El EHS fue inicialmente propuesto por la empresa Trialog, y posteriormente adoptado por la EHSA.

Esta es un consorcio abierto que pretende impulsar a la industria Europea dentro del campo de la domótica.

Dentro de los miembros del consorcio destacan las empresas: Bosch Telecom, Deutsche Telekom, France Telecom, Siemens, Philips, HoneyWell, Caba, Home Automation Association e Instituto Tecnológico Aragones.

Las especificaciones del bus están disponibles para red eléctrica (2400 bps) y par trenzado de baja velocidad (48Kbps), ambas con variantes del CSMA para regular el acceso al medio.

La red se entiende como un conjunto de segmentos que comparten en el mismo medio y unidos mediante routers. Se tienen tres niveles de direccionamiento (a nivel de enlace, de red y de aplicación).

Cada segmento puede tener hasta 256 dispositivos, mientras que todo el sistema permite hasta 1012. El control es distribuido y orientado a comandos.

Aunque se han desarrollado varios proyectos ESPRIT utilizando el EHS, las aplicaciones y productos existentes en el mercado son escasos.

Konnex: La asociación nace en 1999 como la iniciativa de tres organizaciones, que ya llevaban años en el mercado europeo, aunque con tecnologías bien diferentes, así como objetivos y ámbitos de actuación complementarios.

Estas organizaciones son las tres anteriormente vistas: EIBA, BatiBUS y EHS.

En la actualidad, la organización que más ha realizado para conseguir un protocolo común ha sido EIB, por lo que este protocolo también es conocido como KNX-EIB.

A día de hoy, KNX es el único protocolo certificado libre que existe especializado en la domótica y el más utilizado.

Los objetivos de KNX-EIB son los siguientes:

1. Crear un único estándar para la domótica e inmótica (domótica en el ámbito industrial o grandes edificios) de ámbito europeo.

2. Aumentar la presencia de estos buses domóticos en áreas como la climatización o HVAC.

3. Mejorar las prestaciones de los diversos medios físicos de comunicación sobretodo de radiofrecuencia.

4. Introducir nuevos modos de funcionamiento que permitan aplicar una filosofía Plug&Play a muchos de dispositivos.
  
5. Contactar con empresas proveedoras de servicios, como las de telecomunicaciones y las eléctricas con el objeto de potenciar las instalaciones de tele-gestión técnica de las viviendas o domótica

Puedes ver cómo funciona este protocolo, uno de los más usados en la domótica en el siguiente enlace: El sistema KNX.

Pero tenemos otros protocolos en uso a día de hoy, siendo los más importantes y usados son LonWorks, ZigBee y X10.

WiFi: Lo primero que podemos pensar es utilizar dispositivos controlados por WiFi y es cierto que a veces Wi-Fi se usa para comunicarse con dispositivos que pueden funcionar de manera autónoma sin la ayuda de una red inteligente, pero Wi-Fi no es adecuado para sistemas de automatización complejos.

Cada dispositivo que enganchamos a nuestra red WiFi, nos consume datos y hace que esta funcione más lenta de forma general.

Tiene cierta latencia y la cobertura se convierte en un requisito esencial y todos sabemos que no traspasa muy bien las paredes.

LonWorks: el protocolo LonWorks fue creado a raíz de una conversación entre Mike Markkula (representante y ex
presidente de Apple) y John Sculley (su sustituto en Apple y expresidente de Pepsi Cola).

LonWorks es un estándar propietario desarrollado por la empresa Echelon.

El estándar ha sido ratificado por la organización ANSI como oficial en Octubre de 1999. El estándar LonWorks se basa en el esquema propuesto por LON (Local Operating Network).

Este consiste en un conjunto de dispositivos inteligentes, o nodos, que se conectan mediante uno o más medios físicos y que se comunican utilizando un protocolo común. Por inteligente se entiende que cada nodo es autónomo y proactivo, de forma que puede ser programado para enviar mensajes a cualquier otro nodo como resultado de cumplirse ciertas condiciones, o llevar a cabo ciertas acciones en respuesta a los mensajes recibidos.

Un nodo LON se puede ver como un objeto que responde a varias entradas y que produce unas salidas.

El funcionamiento completo de la red surge de las distintas interconexiones entre cada uno de los nodos.

Mientras que la función desarrollada por uno de los nodos puede ser muy simple, la interacción entre todos puede dar lugar a implementar aplicaciones complejas.

Uno de los beneficios inmediatos de LON es que un pequeño número de nodos pueden realizar un gran número de distintas funciones dependiendo de cómo estén interconectados.

Zigbee: Así se llama a un conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su
utilización con radiodifusión digital de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 302.14.

Su objetivo son aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío (maximizando la vida de sus baterías).

A pesar de que su objetivo es la domótica, en la actualidad el mayor problema que presenta es que no está optimizado para transmitir gran cantidad de datos, como por ejemplo el vídeo de una cámara de seguridad, por lo que cuando se usa dicho protocolo, se hace sólo en parte de la instalación.

Pese a esto, gracias a su bajo consumo, su fácil instalación y su topología en red de mallas, hace que cada vez cobre más fuerza en el ámbito domótico.

X10: X10 es un protocolo de comunicación que permite controlar aparatos eléctricos a través de la instalación de red eléctrica.

El estándar surgió hace 20 años como parte de los experimentos realizados por la empresa Picosystem y lleva más de quince funcionando a nivel comercial.

La transmisión de una señal binaria en X10 se realiza mediante ráfagas de 120 kHz superpuestas en los cruces por cero de la señal de la red eléctrica.

La ausencia de ráfaga significa un cero lógico.

En un principio, se distinguen dos tipos de dispositivos X10, los transmisores (transmitters), los receptores (receivers).

Los transmisores envían comandos X10 codificados como una señal de baja intensidad que se superpone a la señal de la red.

Se pueden enviar mensajes hasta 256 dispositivos en una misma red.

Cada uno de los receptores tiene una dirección.

Estos son capaces de demodular la señal y si corresponde con su dirección actuar en consecuencia.

Varios receptores pueden tener la misma dirección de tal forma que se puede actuar sobre ellos a la vez.

Como los receptores no responden a los transmisores no es posible saber el estado, por ejemplo no se puede preguntar si una luz está o no encendida.

Para poder preguntar el estado se han introducido un tercer tipo de dispositivo que permite transmitir y recibir.

Z-Wave: es un protocolo inalámbrico patentado para la automatización del hogar diseñado para los requisitos de bajo consumo y bajo ancho de banda del Internet de las cosas.

Es un protocolo inalámbrico patentado y privado pero con más de mil dispositivos y más de cien empresas que fabrican productos compatibles

Z-Wave es actualmente el estándar de comunicación inalámbrica más utilizado.

Utiliza el estándar de radio IEEE 802.15.4 PHY y redes de malla para aumentar el alcance y la estabilidad de la red.

A diferencia de Bluetooth y ZigBee, que funcionan en la banda de 2,4 GHz, Z-Wave funciona en la banda de frecuencia de 868 MHz en Europa (banda de 915 MHz en Norteamérica).

Operando a frecuencias inferiores a 1 GHz, Z-Wave tiene una señal robusta que es impenetrable para las redes Bluetooth o WiFi.

Con la frecuencia más baja, Z-Wave también tiene un alcance que es hasta tres veces mayor que, por ejemplo, ZigBee.

La topología de red Z-Wave es una red de malla donde cada nodo actúa como un repetidor que aumenta el alcance.

Esto asegura la funcionalidad de la red incluso si falla un nodo.

Cada red Z-Wave tiene al menos un controlador, generalmente un concentrador conectado a Wi-Fi , que emite comandos a través de la red y actúa periódicamente como una puerta de enlace a Internet.

Debido a que es un protocolo propietario, todos los fabricantes que producen dispositivos Z-Wave deben usar el chip SoC con licencia de Sigma Designs.

La mayoría de los diseños se pueden implementar directamente en el chip de radio utilizando el enfoque SoC.

Esto evita el uso de una MCU externa, lo que simplifica enormemente el desarrollo de hardware.

El software se desarrolla utilizando un SDK estándar de Sigma.

Los nuevos SoC de la serie Z-Wave 500 ofrecen un mayor alcance de hasta 150 metros, un 50 % más de duración de la batería y un 250 % más de ancho de banda.

Al mismo tiempo, son compatibles con dispositivos de todas las generaciones Z-Wave.

Para recibir el logotipo de Z-Wave, los productos deben estar certificados después del desarrollo.

Aunque los precios son ligeramente más altos debido al sistema cerrado, los productos Z-Wave son fáciles y completamente interoperables.

La tecnología de señalización robusta y sin interfaz de Z-Wave, así como su excelente interoperabilidad con más de mil productos Z-Wave en el mercado, la convierten en una buena opción para equipos IoT en domótica.

La Estandarización de los Protocolos

El problema con el hogar digital o inteligente radica muchas veces en la variedad de protocolos diferentes existentes en el mercado.

Por ejemplo, aquellos que fueron ideados por un determinado fabricantes con el objetivo de excluir a otros fabricantes.

Una empresa desarrolla su propio protocolo de comunicación junto con una gama de dispositivos.

Si un cliente ahora decide trabajar con dispositivos de este fabricante, está enganchado al fabricante porque los dispositivos de otros fabricantes no funcionan con este protocolo.

Este es, por supuesto, un concepto de los primeros días de la lealtad del cliente y hoy en día solo ya no funciona, ya que los clientes de hoy quieren seleccionar sus dispositivos domésticos inteligentes en función de la funcionalidad y la apariencia, y además esperan que funcionen con dispositivos de otros fabricantes.

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