Las soluciones basadas en sensores de ultra bajo consumo hacen posibles los edificios conectados, inteligentes y seguros

La infraestructura en la que se basa el Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) está muy consolidada y se extiende mucho más allá de las legiones de servidores y centros de datos que le permiten llegar hasta nuestras casas, oficinas y fábricas.

Ejemplo de topología de un sistema de edificio inteligente.

Pavan Mulabagal, Director de Estrategia y Marketing de IoT, onsemi.

En la periferia de esta infraestructura se encuentran los sensores, que recogen datos y los envían a servicios en la nube o los procesan a nivel local para realizar una acción. Estos sensores son imprescindibles para que los edificios sean más inteligentes y proporcionan un enfoque práctico para controlar nuestro entorno. Los principales factores que impulsan esta necesidad son de tipo práctico y económico: un edificio autónomo nunca se olvida de apagar las luces cuando la última persona sale de una sala.

Lo que empezó siendo un sistema de control relativamente simple, que usaba la detección de ocupación y la medida de temperatura para ajustar, por ejemplo, los niveles de calefacción e iluminación, se ha hecho más sofisticado. Los edificios son cada vez más inteligentes desde el punto de vista del usuario, y también lo son los sistemas que lo permiten.

La inteligencia artificial (IA) acabará en finalmente con la necesidad de que una persona programe un edificio inteligente. Los sensores simples que detectan la ocupación en un área grande se verán desplazados por los sensores de imagen más sofisticados que pueden reconocer a las personas y ofrecer control de una manera más personal. El detector de movimiento anónimo dejará paso a sistemas de procesamiento de imágenes que pueden reconocer cada cara, así como gestos e incluso estados de ánimo. El control de audio, implementado mediante altavoces inteligentes o asistentes virtuales, es otra función importante cuya popularidad crece con rapidez.

A medida que los edificios son más inteligentes, sus capacidades se ampliarán con el fin de ofrecer una experiencia más personalizada que incluya control de acceso y otras funciones de seguridad. Esto va más allá de la optimización del consumo al apagar las luces cuando una sala está vacía: permitirá que solo las personas autorizadas entren en una sala, impedirá automáticamente el acceso de algunas personas a redes seguras e incluso ayudará a localizar objetos.

Edificios inteligentes para energía inteligente
En la actualidad existen dos aspectos relacionados con la gestión de edificios que representan alrededor del 40% del consumo de energía: la iluminación y la calefacción. El aprovechamiento de la detección de la ocupación y de los niveles de luz ambiental para ajustar los niveles de iluminación artificial es más antiguo que Internet. Pese a ello, la adopción de la iluminación conectada está en auge y se basa en tecnologías que se sustentan y avanzan con IoT.

Un elemento clave para ello es la comunicación. La llegada de las redes de malla inalámbricas ha conseguido que la interconexión de dispositivos de iluminación inteligente sea mucho más sencilla y fiable. Los continuos avances de la tecnología PoE (Power over Ethernet), junto con la extraordinaria reducción del consumo ofrecido por la tecnología LED, permiten alimentar y conectar la iluminación mediante un solo cable Ethernet de baja tensión, acabando así con la necesidad de que un electricista instale la iluminación conectada.

Ahora estos terminales conectados que solo eran dispositivos de iluminación se han convertido en algo más, forman parte de la red del edificio inteligente ya que cada uno de estos dispositivos puede funcionar, por ejemplo, como baliza para navegación interior. También se ha simplificado mucho la incorporación de más funciones, como detección de ocupación, seguimiento de objetos y supervisión ambiental. Todas estas funciones son posibles gracias a los diversos sensores que ahora se pueden integrar en un solo dispositivo conectado.

Desarrollos como este permitirán, desde luego, que los edificios sean más prácticos para los ocupantes, pero en última instancia la mayor ventaja que aportarán es el ahorro de energía al funcionar de manera más inteligente.

Construcción de edificios más inteligentes
La topología de un sistema de edificio inteligente dependerá de los sensores y actuadores, como se describe e ilustra en la Figura 1.

El microcontrolador o procesador de señal digital (Digital Signal Processor, DSP) que ocupa el centro del sistema será el responsable de coordinar los numerosos sensores y actuadores, como los utilizados para detectar la ocupación, supervisar el entorno y controlar el acceso, y en el caso de los actuadores pueden ser motores CC con o sin escobillas para abrir o cerrar puertas y ventanas, así como los relés electromecánicos o de estado sólido utilizados para encender y apagar las luces. Los niveles de iluminación variable se obtienen mediante algún tipo de modulación de potencia, como PWM, y el microcontrolador o DSP puede encargarse de esto. La conectividad será una combinación de redes con y sin cable, para lo cual se puede utilizar un número cada vez mayor de protocolos, algunos de los cuales son compatibles con los mismos protocolos empleados en Internet y por tanto son accesibles directamente, mientras que otros necesitan una puerta de enlace.

Actualmente estamos entrando en el mundo de los sistemas de muy bajo consumo, en el cual es factible alimentar el microcontrolador, los sensores y los actuadores con la energía captada directamente del entorno, como la luz o el calor. Esto genera la posibilidad de que los sistemas de control sean virtualmente autosostenibles.

Entre los factores más importantes a evaluar cuando se desarrolla la red de comunicaciones en la que se basa la infraestructura de un edificio inteligente se encuentran el alcance, la potencia y la latencia. El peso asignado a cada uno de estos factores dependerá de la aplicación correspondiente. Así, cualquier retardo apreciable entre la entrada en una sala oscura y el encendido de las luces será perceptible por los ocupantes; es tan solo un ejemplo de la importancia de la latencia.

En general, el procesamiento local será más rápido que si se basa únicamente en recursos de procesamiento en la nube para tomar decisiones a nivel local. Si un sensor es capaz de decidir por sí mismo que cuando alguien entra en una sala aumentará los niveles de iluminación, mejorará la experiencia del usuario en su conjunto.



Principales factores a evaluar cuando se desarrolla la infraestructura de comunicación de un edificio inteligente.

La Figura 2 ilustra cómo pueden influir estos factores sobre la elección de la tecnología con o sin cable. Implementar una red de malla sencilla pero robusta (Figura 3) permite construir redes pequeñas de dispositivos conectados, como dispositivos de iluminación, ventiladores y otros activos. Las redes de malla no solo aportan una manera de ampliar una red mucho más allá del alcance de un solo nodo, sino que también genera redundancia en la red y permite la transmisión de mensajes por la red mediante cualquier combinación de nodos conectados. Esto significa que si una interferencia local impide que un mensaje utilice un dispositivo de iluminación como punto de paso, la red lo redirigirá automáticamente. La mayoría de los protocolos inalámbricos modernos emplean redes de malla por este motivo.



Las redes de malla amplían la red y proporcionan redundancia para redirigir mensajes.

Las plataformas multisensor ofrecen más prestaciones
A medida que mejora la tecnología resulta más viable integrar diversos sensores en una sola plataforma, generando así más valor para los activos conectados, en especial donde el principal valor está definido por su función primordial. Tomemos como ejemplo un dispositivo de iluminación. Su función primordial consiste en iluminar, pero como se ha señalado antes también representa un nodo sensor casi ideal para capturar una enorme cantidad de datos.

Al colocar varios sensores en un solo dispositivo aumenta enormemente el valor de dicho dispositivo, por lo que se convierte en una parte fundamental de la infraestructura del edificio inteligente, aunque visto desde fuera parezca y se comporte como un aparato de iluminación convencional. El pequeño tamaño y el consumo muy bajo de los sensores facilita la instalación de varios sensores en una pequeña placa de circuito impreso para supervisar la ocupación, la temperatura, la humedad y la calidad del aire, entre otros. El uso de un dispositivo de comunicaciones de muy bajo consumo como el RSL10 Bluetooth^® Low Energy permite que esta plataforma multisensor funcione durante años alimentándose con una sola pila de botón (Figura 4).



Ejemplo de plataforma multisensor basada en el encapsulado RSL10 SIP (RSL10 System in Package).

Incluse ahora ya es posible prescindir de la batería y recurrir a la energía captada del entorno (Energy Harvesting) para alimentar plataformas multisensor conectadas a la red (Figura 5).



Las tecnologías de captación de energía ahora pueden proporcionar la fuente primaria de energía a sensores y actuadores.

Esto permite instalar los sensores inteligentes prácticamente en cualquier lugar del edificio. Por ejemplo, se pueden utilizar células solares relativamente pequeñas y discretas para captar suficiente energía de la iluminación artificial con el fin de alimentar una plataforma multisensor y enviar los datos de forma periódica a una pasarela.

Conclusión
La eficiencia energética será fundamental para el continuo éxito de los edificios inteligentes, tanto para construir edificios que consuman menos energía como para el suministro de soluciones de bajo consumo con tecnologías avanzadas que lo hagan posible.

La conservación de energía será la clave para toda la tecnología, es decir, desde los sensores utilizados hasta el acceso a servicios en la nube. A medida que aumenta el número de sensores instalados lo hace también la granularidad con la que aplicamos control a través de los suministros de un edificio, promoviendo así un círculo de eficiencia energética.

Sin embargo, ello depende mucho de las continuas mejoras en la eficiencia en las tecnologías de los sensores, los procesadores y la conectividad. A medida que aumenta su uso, es posible que sea necesario incluso emplear tecnologías que ofrezcan independencia energética, recurriendo para ello a técnicas de captación para generar su propia alimentación.

onsemi está a la vanguardia del desarrollo de tecnologías de detección y conectividad de muy bajo consumo, como su solución Bluetooth 5 de alta integración RSL10. Junto con sus sistemas de procesamiento inteligente de audio e imágenes, onsemi se compromete a suministrar las soluciones más inteligentes y con una mayor eficiencia energética.

www.onsemi.com

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