WO2010023339A1 - Sistema integral de control, seguridad y domótica en edificios inteligentes - Google Patents

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WO2010023339A1
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ham
control
automation
security
automation module
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PCT/ES2009/070334
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Antonio Fernando GÓMEZ SKARMETA
Miguel Ángel ZAMORA IZQUIERDO
José SANTA LOZANO
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Universidad De Murcia
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Publication date
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Definitions

  • the invention described is an integral control, security and home automation system in intelligent buildings.
  • the field of application of the present invention is, mainly, that of remote control and automation systems, and more particularly the hardware, software and methods for the implementation of home automation systems or home automation systems.
  • its characteristics allow its use in other areas, such as industrial.
  • HAM automation module
  • main element of the system which includes at least one main configuration database, - various control panels, which interface with the user,
  • an alarm control center for the reception and management of alarms
  • HAM an administration application that allows an interface from a computer connected to the Internet, so that a LAN communications network links the automation module, the various control panels and the local residential gateway; the various CAN input / output modules link to the automation module through a CAN bus, and the remote residential gateway and the alarm control center are connected via the Internet with the different elements of the building, and said center of Alarm control is also connected via PSTN with the automation module (HAM).
  • HAM automation module
  • MPU main processing card
  • - and optionally a graphical interface, type LCD color touch, or keyboard and alphanumeric display, and the remote CAN modules are formed by: - a set of analog and digital inputs,
  • control panels are formed by:
  • the local residential gateway and / or remote residential gateway are The local residential gateway and / or remote residential gateway.
  • One of the main features of the automation module (HAM) is that it can: - connect to the different elements of the building simultaneously through the X10 and EIB home automation buses, make connections via CAN bus, wireless via Zigbee or directly to the inputs and outputs of the various expansions of the automation module (HAM) or of the CAN input / output modules, and,
  • the comprehensive control, security and home automation system for smart buildings employs a distributed strategy when storing configuration data and device status (configuration database), so that in remote equipment (local residential gateway, remote residential gateway and control panels) replicas of the information stored in the automation module (HAM) are maintained, being those updated only when changes are detected, which reduces the number of shortcuts to the automation module (HAM) as well as the response time and, at the same time, implies a redundancy of the system information.
  • a communications protocol SHAP Superior Home Automation Protocol
  • UDP as a transport layer
  • control panels send control messages to the automation module (HAM) using the SHAP protocol, so that the control panels record any change of state of a device when it receives the confirmation of the automation module (HAM) .
  • the distribution of the information in the remote equipment is carried out in two different phases: - synchronization phase, which coincides with the start-up of the remote equipment or with
  • the data refresh strategy that is followed is the following:
  • a remote device modifies the status of a device, - the modification is notified to the automation module (HAM),
  • the automation module notifies the change of state in the rest of the remote equipment, so that for the control panels the notification is sent by broadcast to the network (broadcast), while for the local residential gateway and the Remote residential gateway, the notification is done individually (unicast).
  • the SHAP protocol makes an approach based on symmetric cryptography, so that using a SHA-2 algorithm (Secure Hash Algorithm) a summary of the load of all packets is calculated, and the resulting value is encrypted together with the header by AES ( Advanced Encryption Standard), using a symmetric key shared between system entities, completing the message with a cyclic redundancy code (CRC) of the complete package.
  • SHA-2 algorithm Secure Hash Algorithm
  • AES Advanced Encryption Standard
  • the SHAP protocol is extended for the specific task of sending alerts to an IP alarm receiver so that, as a previous step to sending them, a negotiation is carried out in which the format that will be used to encapsulate is determined alerts on packages to be sent later;
  • the automation module proposes a list of formats with which it is compatible and, in response, it is the alarm control center that decides which of them will be used, based on the priority scheme that have predefined.
  • Figure number 1 shows the general architecture of the system with all the modules it integrates.
  • Figure number 2 shows the system hardware skeleton with all the cards that integrate it, both in the automation module and in the control panels and remote CAN modules.
  • Figure number 3 shows a complete representation of the automation unit; In the lower part, the cover with the LCD touch screen version is visible, and in the upper part the cards of the automation unit can be seen on the left, and the battery, power supply on the right, together with the transceiver module XI O and the EIB.
  • 12 LAN network. 13 - Remote residential gateway. 14 - Alarm control center.
  • the invention consists of a control architecture composed of a set of interconnected devices, intended for home automation control and building automation, with a series of connectivity and functionality requirements that confer utility in the field of security, comfort, leisure and accessibility in buildings.
  • the system described explores the potential of home automation in today's market, avoiding a strong dependence on existing technologies, considering previous experiences and proposing innovative services, thanks to the analysis, design and implementation of a complete architecture for home automation control within an environment mixed industrial and academic.
  • the system is designed for wide dissemination in the home automation and building automation sector, which implies numerous configuration possibilities according to the topology of each specific case.
  • system is designed for a non-expert end user (consumer market), so that maintenance is the minimum possible, being able to do a diagnosis, extension and update of system functionalities remotely, without user intervention.
  • the main applications of the integral control, security and home automation system in intelligent buildings are the following: • Control of household appliances.
  • Figure 1 shows the architecture of the automation system. As can be seen, the architecture is divided into the system installed in the dwelling and the connections with various remote elements. Although the diagram includes all possible elements in a complete building automation solution, the system is completely modular. In addition, it is important to highlight how the generic nature of the system allows not only to apply this automation architecture to homes, but also in other areas such as offices, schools, shopping centers, resorts, and in general, any other domain where home automation has a place.
  • the network within the home is centralized in an embedded solution provided by an automation module. This is able to work with the most common home automation specifications, such as X10, EIB and ZigBee, to connect with sensors, actuators, devices and appliances installed in the home.
  • a protocol based on UDP over the IP network is used to connect the rest of the elements with the automation module.
  • different control panels can be distributed throughout the home.
  • the Residential gateways, local and remote, provide management and monitoring capabilities to users and security companies, respectively.
  • a robust security system has been designed to allow contracted companies to receive alarm messages using different technologies.
  • the main component of the architecture is the automation module of
  • This element is the core of the system and is connected to all appliances (7), sensors (6) and home automation devices (31) (blinds, lights, etc).
  • this HAM automation module (1) centralizes the intelligence of the building, because it contains the configuration used to control all installed devices.
  • a local database (33) stores in a non-volatile memory the actions that have to be executed according to programmed conditions or based on sensor readings (6).
  • the HAM automation module (1) can also include a user interface.
  • control panels (2) can be installed in different places, which serve as a user interface to control the parts of the house or building defined in each case.
  • each floor may have a control panel (2) to set the appropriate temperature, close blinds or specify the intensity of the lights independently (for example, per floor).
  • the local residential gateway (3) of the building offers value-added monitoring and system administration services.
  • This gateway (3) is communicated with the HAM automation module (1) via a LAN communications network (12), leaving the communication tasks with home automation devices (31), sensors (6) and appliances (7) to said module HAM automation (1).
  • Some solutions of the known state of the art leave these tasks directly to the PC-based residential gateways, but this is not considered an appropriate strategy.
  • the embedded solution used in the HAM automation module (1) offers a fault-tolerant architecture, more appropriate to ensure the proper functioning of household devices at all times.
  • the local residential gateway (3) based on an embedded PC, is used to offer extra services to the inhabitants of the house, and perform the network tasks of the transport layer to the applications in a stack OR IF.
  • the OSGi middleware (Open Services Gateway initiative) is used to manage the life cycle of the services that cover these characteristics.
  • OSGi Open Services Gateway initiative
  • a service that implements the UDP protocol designed to connect with the automation unit allows the development of other applications, and the HTTP service offered by OSGi is used by a web application to provide local / remote administration capabilities through of a 3D interface (administration application (35)).
  • administration application 35)
  • the user could, for example, access the home network from work, under a previous authentication process of course.
  • the system offers as a simpler alternative the remote control via SMS via mobile phone (19), in the event that there is no Internet connection (20).
  • the HAM automation module (1) supports several network controllers to connect to the different devices in the building. Complementing this, it has analog and digital inputs and outputs in its base expansion (23) and the various lateral expansions (24) that can be attached.
  • a CAN bus (1 1) Control Area Network
  • the CAN modules (5) designed for this architecture incorporate a set of analog and digital inputs, a set of outputs, which control relays or other devices (such as potentiometers) that allow controlling the intensity regulation for lighting systems, and a set of inputs where simple push-buttons are connected to act on the previous outputs.
  • ZigBee (8) can be used to prevent wiring in already built buildings or homes.
  • a LAN communications network (12) is used in the building to connect all the control panels (2), the local residential gateway (3) and the HAM automation module (1).
  • the latter maintains a main configuration database (33), but each control panel (2) and the local residential gateway (3) include a local replica to avoid overloading the network.
  • the LAN technology used can be Ethernet, and the 802.1 1 i standard for installations where wireless communications are preferable.
  • the LAN network (12) of the building is connected to the Internet (20) through one of the different technologies available today.
  • An ADSL, ISDN or cable-modem connection could be sufficient to provide remote monitoring and control, and offer a basic security system.
  • the SHAP (32) protocol (Superior Home Automation Protocol) is a communications protocol based on UDP, used to connect the main components of the home automation system over the IP network. This protocol connects the module HAM automation (1) with local and remote entities following a sliding window strategy to ensure data flow control.
  • Control messages are sent from the control panels (2) to the HAM automation module (1) using the SHAP protocol (32).
  • the control panels (2) record any change of state of a device when it receives the confirmation of the HAM automation module (1). This technique ensures consistency because each control panel (2) saves a reduced local copy of the database (33) that contains the status of each controlled device.
  • the communications between the local residential gateway (3), the remote residential gateway (13) and the HAM automation module (1) follow the same strategy.
  • the database (33) stored in the remote residential gateway (13) is only part of the complete state of the house because its function is only related to the security part.
  • the database (33) maintained in the local residential gateway (3) is a complete copy of the one stored in the non-volatile memory of the HAM automation module (1), because the administration software offers complete control of the house.
  • the distribution of the information in the remote equipment is carried out in two different phases:
  • - Synchronization phase coincides with the start-up of the remote equipment or with the detection of loss of connection in the LAN (12), where it is assumed that the configuration and status data of the devices are invalid and a complete update of the device is required. the same.
  • This phase causes a traffic of query packets generated by the remote equipment and directed to the HAM automation module (1), with the intention of updating all its information.
  • - Refreshment phase allows the status of the devices to be updated if any remote equipment or the HAM automation module (1) makes any changes to the data.
  • the entire data refresh process is centralized by the HAM automation module (1) that is responsible for updating the remote equipment (s) that need it.
  • the data refresh strategy that is followed is the following:
  • a remote device modifies the status of a device.
  • the HAM automation module (1) notifies the state change in the rest of the remote equipment.
  • the notification is sent by broadcast to the network (broadcast), so that processing overhead is avoided.
  • the notification is made individually (unicast). This distribution strategy ensures that each remote device keeps an updated copy of the system data at all times while it is in operation.
  • the SHAP protocol (32) also includes a set of messages used to remotely program the code of the HAM automation module (1) and control panels (2).
  • Software has been developed to carry out this task, which allows specialized personnel to update the firmware of the HAM automation module (1) locally or remotely.
  • the SHA summary ensures the integrity of the load, and the AES encryption provides authenticity of the transmitted information, because the synchronization between the sender and the receiver (included in the header) is hidden. Confidentiality is not directly offered by the package load, because it is assumed that the encapsulated packages themselves must support encryption if necessary. Encrypting the memory map messages in a write operation of the HAM automation module (1) is unnecessary, for example, since the decoding of all messages would delay the process too much. Alarm messages, on the other hand, can offer encryption by themselves. At the service level, confidentiality is offered through secure HTTPS access. In the same way, the access control implemented in the 3D administration application (35) offers authentication in the access to the system.
  • ⁇ alarm receivers there are several types of alarm receivers. The most common is the one that connects to a building via the Internet (20) using a cable connection.
  • the system offers the possibility of connecting the HAM automation module (1) with the central unit using cellular network (CN) or telephone network (PSTN).
  • CN cellular network
  • PSTN telephone network
  • the solution based on the use of cellular network requires a modem in the HAM automation module (1), so that the network operator offers a direct connection to the Internet (20).
  • a tone-based coding is used to send security events.
  • Alarm events are simultaneously notified through all alarm receivers (15), (16), (17).
  • a continuous periodic communication strategy is followed between the receivers (15), (16), (17) and the HAM automation module (1). This mechanism prevents an attacker from blocking security channels.
  • All security notifications received by the alarm receivers are forwarded to the alarm control center (14) of the security company involved, where software is used to process all events.
  • Alarm messages use the Contact ID standard; however, the system is prepared to support other types of format such as 4 + 2.
  • the SHAP protocol (32) is extended so that, as a previous step to sending them, a negotiation is carried out in which determines the format that will be used to encapsulate the alerts in the packets that will be sent later.
  • the HAM automation module (1) proposes a list of formats with which it is compatible and, in response, it is the central one that decides which one will be used, based on the predefined priority scheme.
  • Each of the supported formats is represented by a number or version, and the list of supported versions is totally or partially known by both the HAM automation module (1) and the IP receivers (16), (17) .
  • the common case is that there are several HAM automation modules (1), each supporting a different version, while the IP receivers (16), (17) are compatible with several versions to ensure compatibility with both automation modules (HAM) (1) older as with others installed later, without having to reprogram the oldest to ensure that they can continue sending alerts to IP receivers (16), (17).
  • automated buildings are included in an urbanization type domain where a security service is offered. In this case, the system offers the possibility of applying a monitoring and security strategy on this group of homes from the local control center where security personnel operate.
  • the remote residential gateway (13) is used in the system for this purpose.
  • a typical case to include this element is the local security service offered in a residential complex (see Figure 1).
  • the remote residential gateway (13) is used in this configuration to receive the security events of the buildings.
  • the remote residential gateway (13) contains a modified version of the software installed in the local residential parallels (3), hence it is able to connect to the individual HAM automation modules (1) of each building. In this way, it includes an interface that allows security personnel to centralize the security events of all controlled houses.
  • the remote residential gateway (13) also saves a reduced local copy of the database (33) that contains the status of each controlled device.
  • the remote residential gateway (13) could be located in the same LAN (12) as the controlled buildings. Figure 1 shows the most general case.
  • the HAM automation module (1) is based on the SIROCO (System for Integral ContROI and COmunication) hardware architecture.
  • SIROCO System for Integral ContROI and COmunication
  • the different modules that make up the unit can be seen in Figure 2.
  • SIROCO is a highly adaptable modular system compatible with the current safety regulation (EN-50131 and EN-50136). Similar systems often rely on simpler and less flexible architectures; on the contrary, SIROCO gives the option of installing a low cost solution or more complete systems by expanding the base hardware with the required modules.
  • a main processing card (21) MPU Main Processor Unit
  • the MPU processing card (21) is the basis of both the HAM automation module (1) and the control panels (2).
  • the HAM automation module (1) can also be extended through more cards that give it greater input / output and communications capabilities. Specific communications for home automation are provided by transceivers X10 (28) and EIB (27).
  • the user interface is a touch screen (25), 5.6 "color LCD type. There is a low cost user interface version consisting of an LCD Alphanumeric and a 16-button keyboard.
  • the MPU processing card (21) is extended with two additional cards: the base expansion card (23) and the communication card (22).
  • the base expansion card (23) provides a direct input / output interface for sensors (6), appliances (7) and home automation devices (31) to be controlled.
  • SIROCO is designed as an automation system distributed through its different buses, but also supports a large number of centralized connections in the control module.
  • the base expansion included in the central unit, it is possible to add up to 16 additional cards called cards or modules of lateral expansions (24) through the I / O expansion / input expansion bus (26), which increases the direct connectivity of the central unit. With this configuration, complex control schemes can be addressed.
  • the communication card (22) is equipped with a ZigBee radio interface (8), for communication with wireless sensors, and a wired CAN bus connection (1 1).
  • Small CAN modules (5) have been developed that have additional dimmers and remote inputs / outputs to provide connectivity with a wide range of home automation devices (31) (lights, blinds, etc.).
  • the CAN bus (11) is offered as an alternative to the EIB bus (9) for cases in which a more flexible wired communications channel with remote sensors not necessarily compatible with EIB is required.
  • the communication card (22) includes a cellular modem (GSM / GPRS / UMTS) and a DTMF (Dual-Tone Multi-Frequency) telephone interface, mainly oriented to send security events to the alarm receivers.
  • Figure 3 shows the HAM automation module (1) in the version that includes the touch screen (25) as a user interface (see the lower arrangement).
  • the MPU processing card (21) is visible in the upper part of the circuitry, and the base expansion of inputs and outputs is under it.
  • the communication card (22) is connected on the main card (21) MPU, and is wired with the transceivers modules X-10 (28) and EIB (27).
  • the HAM automation module (1) has a power supply (29) and battery (30) to prevent system power failures.
  • Control Panels The system has additional control panels (2), based on the same SIROCO hardware architecture. These panels guarantee a familiar user interface, equivalent to that offered by the HAM automation module (1) equipped with a touch screen (25).
  • the control panels (2) offer users to manage local automated devices to their environment (lights, blinds, appliances, air conditioning, etc.), and the correlation between events and associated actions. Additionally it is possible to program periodic or specific actions.
  • the control panels (2) cannot directly access the general system configuration, stored in the HAM automation module (1).
  • the SHAP protocol (32) is used to send commands to the HAM automation module (1), as previously described. More complex control actions can be defined through the administration application, accessible through the IP network.
  • the house alarm can be armed / disarmed through a control panel (2) previously defined. However, any panel can be used to activate panic, security and fire alarms at any time. In addition, when the alarm is activated by the HAM automation module (1) (due to sensor reading), the control panels alert users with acoustic and light signals.
  • the configuration and installation application (34) allows specialized personnel local or remote access to the configuration of the home through a computer (18) with an IP connection to the HAM automation module (1).
  • the application uses a UDP / IP access via the SHAP protocol (32), or a direct connection via serial with the HAM automation module (1).
  • the software allows the installer to configure the different partitions and zones of the security system, establish the devices connected to the system, and define the communication channels allowed from outside to the home. All this information is stored in the database (33) of the HAM automation module (1).
  • the user interface allows to establish initial operation profiles and actions to be executed under certain events detected by the sensors. With the aim of making the housing configuration easier, the application offers the user predefined configurations that can be used as a starting point. All configurations can also be saved for later use in other homes.
  • the application can be used for communications monitoring. Traffic through the X10 (10), EIB (9) and UDP packets sent and received by the HAM automation module (1) networks can be analyzed with this tool.
  • an administration application offers users local and remote monitoring and control capabilities from any computer (18 ) connected to the Internet (20).
  • the application is located on an HTTP server in the local residential gateway (3). This includes a program based on Flash technology, which is downloaded from the server and offers an extended view of the entire house.
  • the user using this administration application (35), has a three-dimensional (3D) view of the house and can handle the automation system as if it were in the house.
  • 3D three-dimensional
  • IP cameras (4) installed in the home can be used to provide a real-time view of the desired places in the home.
  • a variant of this application is available for the remote residential gateway (13), in places where local security services can be offered. Through this software, security personnel in housing developments and resorts can monitor all automated homes.
  • This version of the application centralizes the reception of house alarms, and includes basic features to control certain devices, such as hall lights, security sensors and audible alarms. Such a scheme reduces the price of system deployment in low-cost facilities, since monitoring tasks are left to security personnel, and local residential gateways are not necessary.

Abstract

Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes, de especial utilidad en el control de viviendas y edificios, cuya arquitectura comprende un modulo de automatización HAM (1) que centraliza el control en el recinto que se va a emplear el sistema de control, diversos paneles de control (2), instalados en distintos lugares del recinto y que sirven de interfaz al usuario para controlar las distintas partes del edificio, una pasarela residencial local (3), conectada al módulo de automatización HAM (1) va una red LAN (12), de manera que esta se ocupa de las labores de comunicación con los distintos dispositivos y actuadores, diversos módulos CAN de control (5), que proporcionan conectividad con diversos dispositivos domóticos, una pasarela residencial remota (13) y un centro de control de alarmas (14).

Description

Sistema integral de control, seguridad y domótica en edificios inteligentes
La invención que se describe es un sistema integral de control, seguridad y domótica en edificios inteligentes. El campo de aplicación de Ia presente invención es, principalmente, el de los sistemas de automatización y control a distancia, y más particularmente el hardware, software y métodos para Ia implementación de sistemas de automatización en viviendas o sistemas domóticos. Sin embargo, sus características permiten su utilización en otros ámbitos, como es el industrial.
Estado de Ia técnica
Cuando se habla de automatización en vivienda o domótica, en primer lugar se piensa generalmente en un conjunto de dispositivos caros que automatizan muchos de los elementos de una vivienda y Ia hacen inteligente, sin ser necesariamente indispensables. Sin embargo, esta situación ha cambiado recientemente y en Ia actualidad el conjunto de tecnologías y servicios que puede proporcionar Ia domótica puede hacer cambiar Ia forma de ver estos sistemas de automatización. Las soluciones iniciales, que encendían las luces en función de Ia presencia de los habitantes, han dado paso a sistemas domóticos capaces de controlar Ia mayoría de electrodomésticos y monitorizar el estado de Ia casa. Los principales campos de aplicación donde Ia domótica puede aplicarse en una vivienda son Ia seguridad, multimedia, ayuda en tareas domésticas, control ambiental y de ahorro energético, y control de Ia red. Además, los clientes potenciales de estos sistemas suelen ser trabajadores que necesitan ahorrar tiempo, personas de Ia tercera edad que necesitan asistencia, y usuarios que trabajan desde casa y quieren un control remoto en su hogar. De esta forma, el número de servicios ofrecidos y Ia gran variedad de clientes, hacen de Ia adaptación de las soluciones comerciales a los requerimientos concretos de los usuarios un reto para las compañías del sector. Esta adaptación debe tener en cuenta además Ia utilidad del sistema en el entorno objetivo. La frontera entre un sistema que ayuda a los habitantes con las tareas diarias y un sistema que realiza acciones automáticas no deseadas es, algunas veces, estrecha.
Mientras tanto, el mercado domótico está sufriendo una guerra de estándares y especificaciones que viene desde principios de Ia década de 1990. Los protocolos de interconexión usados, que especifican cómo se comunican los electrodomésticos, módulos de automatización y pasarela residencial, han estado cambiando continuamente durante años. Hoy en día el estado de los protocolos de domótica, al menos en Europa, es más estable, y EIB (European Installation Bus) se establece como Ia especificación más usada. Un problema similar ha aparecido recientemente en las comunicaciones inalámbricas para redes en el hogar, debido a los continuos avances. Aparte de las soluciones iniciales basadas en radio UHF (433 y 868 MHz) y las más recientes basadas en Bluetooth, están emergiendo nuevas tecnologías con el objetivo de cubrir los requerimientos de las comunicaciones inalámbricas en soluciones de automatización de Ia vivienda. Zigbee y Z-Wave están actualmente luchando por convertirse en referencias en redes del hogar para los sistemas domóticos futuros, y simbolizan Ia batalla continua entre tecnologías en campo de Ia domótica.
La investigación en Ia domótica ha estado fuertemente ligada a este mercado inestable. Los sistemas domóticos tienen en cuenta Ia demanda de los usuarios y las últimas tecnologías para desplegar sistemas horizontales para automatización del hogar. Esta simbiosis entre Ia investigación y el mercado de consumo ha dado como resultado trabajos que están demasiado centrados en las tecnologías, trabajos donde el prototipo implementa parcialmente el sistema diseñado (generalmente Ia unidad de automatización, que centraliza el control de Ia casa), o trabajos que solo incluyen una descripción del modelo lógico usado. Obviamente el coste de desarrollo de estos sistemas es un inconveniente para Ia comunidad que investiga en el campo de Ia domótica. Teniendo en cuenta todo ello, en Ia presente invención se ha puesto especial atención en elementos como Ia posibilidad de ampliación por módulos y Ia gestión remota a través de Internet. Es útil remarcar Ia carencia de protocolos de comunicación de alto nivel que permitan Ia implementación de servicios de valor añadido mediante el acceso al módulo principal de automatización. También es de destacar el tratamiento insuficiente de Ia seguridad en las comunicaciones IP en Ia mayoría de soluciones actuales. La inteligencia ambiental está por otro lado, entrando en Ia campo del hogar, y conceptos como "conciencia" y "ubicuidad" están siendo aplicados sobre tecnologías de automatización domóticas y proporcionando a las viviendas inteligencia. Se conoce en el estado de Ia técnica diversas configuraciones sobre sistemas domóticos y sus conexiones, pudiendo citar, entre otras, las descritas en los documentos ES 2 297 514 T3, ES 2 263 439 T3 y ES 2 255 835 B1.
Descripción de Ia invención La invención que se describe se refiere a un sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes. Su característica más destacable consiste en tener una arquitectura compuesta de:
- un módulo de automatización (HAM), como elemento principal del sistema, que incluye al menos una base de datos principal de configuración, - diversos paneles de control, que hacen de interfaz con el usuario,
- una pasarela residencial local, para realizar Ia comunicación con el exterior del edificio,
- diversos módulos CAN de control, para un control distribuido de dispositivos y luces, - una pasarela residencial remota, que permite realizar Ia gestión remota del sistema,
- un centro de control de alarmas, para Ia recepción y gestión de alarmas,
- una aplicación de configuración e instalación a través de un ordenador conectado al sistema a través de Internet,
- una aplicación de administración que permite hacer de interfaz desde un ordenador conectado a Internet, de manera que una red de comunicaciones LAN enlaza el módulo de automatización, los diversos paneles de control y Ia pasarela residencial local; los diversos módulos CAN de entrada/salida enlazan con el módulo de automatización a través de un bus CAN, y Ia pasarela residencial remota y el centro de control de alarmas se conectan a través de Internet con los distintos elementos del edificio, y dicho centro de control de alarmas se conecta, además, mediante PSTN con el módulo de automatización (HAM). A su vez, el mencionado módulo de automatización (HAM) está formado por:
- una tarjeta principal de procesado (MPU) basada en un microcontrolador, y equipada con capacidades básicas de entrada/salida a través de puertos serie y paralelo, I2C, SPI y Ethernet,
- una tarjeta de comunicaciones que da conectividad celular, telefónica, de bus CAN y Zigbee al sistema,
- una tarjeta de expansión base, dotada de entradas y salidas analógicas y digitales al sistema,
- una fuente de alimentación y batería, en caso de falta de suministro en Ia red eléctrica, - módulos de expansiones laterales, para disponer de un mayor número de entradas y salidas,
- y opcionalmente un interfaz gráfico, tipo LCD táctil a color, o bien teclado y pantalla alfanumérica, y los módulos CAN remotos están formados por: - un conjunto de entradas analógicas y digitales,
- un conjunto de salidas, que permiten controlar Ia regulación de Ia intensidad para sistemas de iluminación,
- un conjunto de entradas donde se conectan pulsadores simples para poder actuar sobre las salidas anteriores (encender, apagar y regular), y los paneles de control están formados por:
- una tarjeta principal de procesado MPU, y
- un dispositivo táctil gráfico a color, tipo LCD, de manera que todo el sistema permite una actualización y mantenimiento de forma remota, a través de Internet por un operador del sistema, y admite varias configuraciones y tipos de sistemas de interacción, bien a través de los paneles de control o desde cualquier ordenador que emplee Ia aplicación de administración sita en
Ia pasarela residencial local y/o pasarela residencial remota.
Una de las principales características del módulo de automatización (HAM) es que puede: - conectarse a los distintos elementos del edificio simultáneamente a través de los buses domóticos X10 y EIB, realizar conexiones a través de bus CAN, inalámbricas mediante Zigbee o directamente a las entradas y salidas de las distintas expansiones del módulo de automatización (HAM) o de los módulos entrada/salida CAN, y,
- actuar, a Ia vez, como un dispositivo EIB ofreciendo a los elementos conectados al bus EIB (pantallas táctiles, teclados, sensores) pleno control del resto de elementos del edificio, cualquiera que sea Ia tecnología de las mencionadas de estos elementos (X10, ZigBee). La comunicación entre el módulo de automatización (HAM) y el centro de control de alarmas puede realizarse simultáneamente por los siguientes medios:
- a través de acceso WAN IP por medios cableados, es decir, mediante una conexión Ethernet, soportando por tanto entre otros Ia conexión a cable- modem, líneas ADSL o ISDN, - a través de acceso IP en redes de telefonía celular (sistemas GPRS/UTMS),
- a través de mensajes SMS dentro de redes GSM,
- usando Ia infraestructura de telefonía fija PSTN, y se pueden realizar estrategias combinando estas vías, existiendo, además, una comunicación simultánea e ininterrumpida por IP para verificar que el sistema de alarma está armado y funciona correctamente.
Otras características del módulo de automatización (HAM) y su correspondiente arquitectura son:
- es ampliable y configurable remotamente, de manera que con una configuración mínima formada por el módulo de automatización (HAM) el sistema ya puede trabajar con toda Ia funcionalidad,
- puede crecer de forma centralizada según el tamaño del edificio a controlar a través de Ia tarjeta de expansión base y tarjetas de expansiones laterales y, al mismo tiempo, también puede crecer de forma descentralizada a través de los dispositivos conectados a los distintos buses posibles, - y todas las ampliaciones son configurables remotamente.
El sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes emplea una estrategia distribuida al almacenar los datos de configuración y estado de los aparatos (base de datos de configuración), de manera que en los equipos remotos (pasarela residencial local, pasarela residencial remota y paneles de control) se mantienen réplicas de Ia información guardada en el módulo de automatización (HAM), siendo aquéllas actualizadas sólo cuando se detectan cambios, Io que reduce el número de accesos directos al módulo de automatización (HAM) así como el tiempo de respuesta y, al mismo tiempo, supone una redundancia de Ia información del sistema. Un protocolo de comunicaciones SHAP (Superior Home Automation Protocol), que utiliza UDP como capa de transporte, conecta el módulo de automatización (HAM) con las distintos dispositivos locales y remotos, siguiendo una estrategia de ventana deslizante para asegurar el control de flujo de datos.
En el sistema, los paneles de control envían mensajes de control al módulo de automatización (HAM) usando el protocolo SHAP, de manera que los paneles de control anotan cualquier cambio de estado de un dispositivo cuando recibe Ia confirmación del módulo de automatización (HAM).
La distribución de Ia información en los equipos remotos se realiza en dos fases diferenciadas: - fase de sincronización, que coincide con el arranque del equipo remoto o con
Ia detección de perdida de conexión en Ia red LAN, donde los datos de configuración y estado de los aparatos son inválidos y se requiere una actualización completa de los mismos; esto provoca un tráfico de paquetes de consulta generados por el equipo remoto y dirigidos al módulo de automatización (HAM), con Ia intención actualizar toda su información, y.
- fase de refresco, que permite tener actualizados el estado de los aparatos si algún equipo remoto o el módulo de automatización (HAM) realiza algún cambio en los datos, de manera que el proceso de refresco de datos está centralizado por el modulo de automatización (HAM) que se encarga de actualizar el/los equipo/s remoto/s que Io necesiten.
La estrategia de refresco de datos que se sigue es Ia siguiente:
- un equipo remoto modifica el estado de un aparato, - se notifica Ia modificación al módulo de automatización (HAM),
- el módulo de automatización (HAM) notifica el cambio de estado en el resto de equipos remotos, de manera que para los paneles de control Ia notificación es enviada por difusión a Ia red (broadcast), mientras que para Ia pasarela residencial local y Ia pasarela residencial remota, Ia notificación se realiza de forma individual (unicast).
El protocolo SHAP realiza una aproximación basada en criptografía simétrica, de manera que mediante un algoritmo SHA-2 (Secure Hash Algorithm) se calcula un resumen de Ia carga de todos los paquetes, y el valor resultante es encriptado conjuntamente con Ia cabecera mediante AES (Advanced Encryption Standard), usando una clave simétrica compartida entre las entidades del sistema, completándose el mensaje con un código de redundancia cíclica (CRC) del paquete completo.
Igualmente, el protocolo SHAP se extiende para Ia tarea concreta de envío de alertas a una receptora de alarmas IP de forma que, como paso previo al envío de las mismas, se realiza una negociación en Ia que se determina el formato que se empleará para encapsular las alertas en los paquetes que se vayan a enviar después; de esta manera, el módulo de automatización (HAM) propone una lista de formatos con los que es compatible y, en Ia respuesta, es el centro de control de alarmas el que decide cuál de ellos se empleará, en base al esquema de prioridades que tenga predefinido.
Descripción de los dibujos
Se acompaña a Ia presente memoria descriptiva, como parte integrante de Ia misma, un conjunto de dibujos en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha presentado Io siguiente:
La figura número 1 muestra Ia arquitectura general del sistema con todos los módulos que integra.
La figura número 2 muestra el esqueleto del hardware del sistema con todas las tarjetas que Io integran, tanto en el módulo de automatización como en los paneles de control y módulos CAN remotos.
La figura número 3 muestra una representación completa de Ia unidad de automatización; en Ia parte inferior se ve Ia tapa con Ia versión de pantalla LCD táctil, y en Ia parte superior se aprecian las tarjetas de Ia unidad de automatización a Ia izquierda, y Ia batería, fuente de alimentación a Ia derecha, junto con el módulo transceiver XI O y el EIB.
Las siguientes referencias numéricas hacen mención a los diversos dispositivos que aparecen descritos en relación con Ia invención:
1 - Módulo de automatización (HAM) del edificio.
2 - Panel de control. 3 - Pasarela residencial local. 4 - Cámaras IP. 5 - Módulos CAN.
6 - Sensores.
7 - Electrodomésticos. 8 - Zigbee.
9 - Bus EIB. 10 - Bus X10.
1 1 - BUS CAN.
12 - Red LAN. 13 - Pasarela residencial remota. 14 - Centro de control de alarmas.
15 - Receptora de alarmas PSTN.
16 - Receptora de alarmas celular.
17 - Receptora de alarmas WAN. 18 - Ordenador.
19 - Teléfono móvil.
20 - Internet.
21 - Tarjeta principal de procesado MPU.
22 - Tarjeta de Comunicaciones. 23 - Tarjeta expansión base.
24 - Tarjeta de expansiones laterales. 25 - Pantalla LCD táctil.
26 - Bus de expansión E/S (entrada/salida).
27 - Transceiver EIB. 28 - Transceiver X10.
29 - Fuente de alimentación.
30 - Batería.
31 - Dispositivos domóticos.
32 - Protocolo SHAP. 33 - Base de datos del sistema.
34 - Aplicación de instalación y configuración.
35 - Aplicación de administración.
Descripción de una forma preferente de realización de Ia invención La invención consiste en una arquitectura de control compuesta por un conjunto de dispositivos interconectados, destinados al control domótico y automatización de edificios, con una serie de requerimientos de conectividad y funcionalidad que Ie confieren utilidad en el campo de seguridad, confort, ocio y accesibilidad en edificaciones. El sistema descrito explora el potencial de automatización en viviendas en el mercado actual, evitando una fuerte dependencia con las tecnologías existentes, considerando experiencias previas y proponiendo servicios innovadores, gracias al análisis, diseño e implementación de un arquitectura completa para control domótico dentro de un entorno mixto industrial y académico. El sistema está pensado para una amplia difusión en el sector domótico y de automatización en edificios, Io que implica numerosas posibilidades de configuración según Ia topología de cada caso concreto.
Además, el sistema está pensado para un usuario final no experto (mercado de consumo), con Io que el mantenimiento es el mínimo posible, pudiéndose hacer un diagnóstico, ampliación y actualización de funcionalidades del sistema remotamente, sin intervención del usuario.
Las principales aplicaciones del sistema integral de control, seguridad y domótica en edificios inteligentes son las siguientes: • Control de electrodomésticos.
• Utilización de diversos protocolos de comunicación domóticos.
• Control centralizado en el módulo de automatización.
• Gestión del sistema desde dentro del hogar a través de pantallas táctiles intuitivas. • Diseño tolerante a fallos mediante réplicación de Ia base de datos de configuración.
• Servicios de valor añadido en pasarelas residenciales local y remota.
• Administración y monitorización del sistema mediante software en 3D, a través de una conexión a Internet. • Programación remota del módulo de automatización.
• Servicios de seguridad a través de varios posibles receptores de alarmas conectados a través de distintas tecnologías de red pública (WAN, GPRS/UMTS, PSTN).
• Flexibilidad, debido a que el sistema puede adaptarse a soluciones específicas, eligiendo las prestaciones deseadas. Casi todos los elementos de Ia arquitectura son opcionales.
La Figura 1 muestra Ia arquitectura del sistema de automatización. Como puede verse, Ia arquitectura está dividida en el sistema instalado en Ia vivienda y las conexiones con diversos elementos remotos. Aunque el diagrama incluye todos los posibles elementos en una solución completa de automatización de edificios, el sistema es completamente modular. Además, es importante remarcar cómo Ia naturaleza genérica del sistema permite no sólo aplicar esta arquitectura de automatización a viviendas, sino también en otros ámbitos como oficinas, colegios, centros comerciales, resorts, y en general, cualquier otro dominio donde Ia domótica tiene cabida.
Como se ha mencionado, casi todos los elementos de Ia arquitectura pueden considerarse opcionales, proporcionando una arquitectura flexible y modular. La red dentro de Ia vivienda está centralizada en una solución embebida proporcionada por un módulo de automatización. Éste es capaz de trabajar con las especificaciones domóticas más comunes, como X10, EIB y ZigBee, para conectar con sensores, actuadores, dispositivos y electrodomésticos instalados en Ia vivienda. Por otra parte, se usa un protocolo basado en UDP sobre Ia red IP para conectar el resto de elementos con el módulo de automatización. Para proporcionar un control sencillo e intuitivo, distintos paneles de control pueden distribuirse por Ia vivienda. Además, las pasarelas residenciales, local y remota, proporcionan capacidades de administración y monitorización a los usuarios y compañías de seguridad, respectivamente. Se ha diseñado un sistema de seguridad robusto para permitir a las compañías contratadas recibir mensajes de alarma mediante distintas tecnologías. El componente principal de Ia arquitectura es el módulo de automatización de
Ia vivienda (1 ) o HAM (Home Automation Module). Este elemento es el núcleo del sistema y está conectado con todos los electrodomésticos (7), sensores (6) y dispositivos domóticos (31 ) (persianas, luces, etc). De esta forma, este módulo de automatización HAM (1 ) centraliza Ia inteligencia del edificio, porque contiene Ia configuración utilizada para controlar todos los dispositivos instalados. Una base de datos local (33) guarda en una memoria no volátil las acciones que tienen que ser ejecutadas de acuerdo a condiciones programadas o basadas en lecturas de sensores (6).
El módulo de automatización HAM (1 ) puede incluir además un interfaz de usuario. No obstante, pueden instalarse paneles de control (2) en distintos lugares, que sirven de interfaz de usuario para controlar las partes de Ia casa o del edificio definidas en cada caso. Por ejemplo, en un edificio de oficinas, cada planta puede tener un panel de control (2) para configurar Ia temperatura adecuada, cerrar persianas o especificar Ia intensidad de las luces de forma independiente (por ejemplo, por planta).
La pasarela residencial local (3) del edificio ofrece servicios de valor añadido de monitorización y administración del sistema. Esta pasarela (3) está comunicada con el módulo de automatización HAM (1 ) vía una red de comunicaciones LAN (12), dejando las labores de comunicación con dispositivos domóticos (31 ), sensores (6) y electrodomésticos (7) a dicho módulo de automatización HAM (1 ). Algunas soluciones del estado de Ia técnica conocido dejan estas tareas directamente a las pasarelas residenciales basadas en PC, pero esto no se considera una estrategia adecuada. La solución embebida utilizada en el módulo de automatización HAM (1 ) ofrece una arquitectura tolerante a fallos, más apropiado para asegurar el correcto funcionamiento de los dispositivos del hogar en todo momento. En Ia arquitectura presentada, Ia pasarela residencial local (3), basada en un PC embebido, es utilizada para ofrecer servicios extra a los habitantes de Ia vivienda, y realizar las tareas de red de Ia capa de transporte a Ia de aplicaciones en una pila OSI. En Ia pasarela residencial local (3) se utiliza el middleware OSGi (Open Services Gateway initiative) para gestionar el ciclo de vida de los servicios que cubren estas características. De esta forma, un servicio que implementa el protocolo UDP diseñado para conectar con Ia unidad de automatización, posibilita el desarrollo de otras aplicaciones, y el servicio HTTP ofrecido por OSGi es usado por una aplicación web para proporcionar capacidades de administración local/remota a través de un interfaz 3D (aplicación de administración (35)). El usuario podría, por ejemplo, acceder a Ia red de Ia vivienda desde el trabajo, bajo un proceso previo de autenticación por supuesto. Adicionalmente el sistema ofrece como alternativa más simple el control remoto vía SMS mediante teléfono móvil (19), en el caso de que no se disponga de conexión a Internet (20).
La mayoría de esfuerzos previos para diseñar nuevos protocolos de interconexión en domótica han estado dirigidos a tímidas propuestas de comunicación entre un controlador domótico y electrodomésticos. El sistema descrito en Ia presente invención, por el contrario, apuesta por las especificaciones soportadas actualmente en Ia conexión entre el módulo de automatización y los dispositivos, y propone un novedoso protocolo de comunicaciones que conecta los módulos principales de Ia arquitectura vía IP.
El módulo de automatización HAM (1 ) soporta varios controladores de red para conectar con los distintos dispositivos del edificio. Complementando a esto, dispone de entradas y salidas analógicas y digitales en su expansión base (23) y las distintas expansiones laterales (24) que se pueden anexar. Además, a través de un bus CAN (1 1 ) (Control Área Network) es posible utilizar entradas y salidas remotas en estructuras con una aproximación más distribuida. Los módulos CAN (5) diseñados para esta arquitectura incorporan un conjunto de entradas analógicas y digitales, un conjunto de salidas, que controlan relés u otros dispositivos (como potenciómetros) que permiten controlar Ia regulación de Ia intensidad para sistemas de iluminación, y un conjunto de entradas donde se conectan pulsadores simples para poder actuar sobre las salidas anteriores. Se ofrece además conectividad a través de bus X10 (10) sobre Ia red eléctrica, pensando en instalaciones domóticas de bajo coste, mientras que un bus EIB (9) ofrece una solución potente para una conexión con dispositivos de mayor capacidad de control. Finalmente, ZigBee (8) puede usarse para evitar el cableado en edificios o viviendas ya construidas.
Como ya se ha señalado, se usa una red de comunicaciones LAN (12) en el edificio para conectar todos los paneles de control (2), Ia pasarela residencial local (3) y el módulo de automatización HAM (1 ). Este último mantiene una base de datos principal de configuración (33), pero cada panel de control (2) y Ia pasarela residencial local (3) incluyen una réplica local para evitar Ia sobrecarga de Ia red. La tecnología LAN utilizada puede ser Ethernet, y el estándar 802.1 1 i para instalaciones donde sean preferibles las comunicaciones inalámbricas.
La red LAN (12) del edificio se conecta a Internet (20) mediante una de las distintas tecnologías disponibles hoy en día. Una conexión ADSL, ISDN o cable- modem podría ser suficiente para proporcionar monitorización y control remoto, y ofrecer un sistema de seguridad básico.
El protocolo SHAP (32) (Superior Home Automation Protocol) es un protocolo de comunicaciones basado en UDP, usado para conectar los principales componentes del sistema domótico sobre Ia red IP. Este protocolo conecta el módulo de automatización HAM (1 ) con las entidades locales y remotas siguiendo una estrategia de ventana deslizante para asegurar el control de flujo de datos.
Unos mensajes de control se envían desde los paneles de control (2) al módulo de automatización HAM (1 ) usando el protocolo SHAP (32). Los paneles de control (2) anotan cualquier cambio de estado de un dispositivo cuando recibe Ia confirmación del módulo de automatización HAM (1 ). Esta técnica asegura Ia consistencia porque cada panel de control (2) guarda una copia local reducida de Ia base de datos (33) que contiene el estado de cada dispositivo controlado. Las comunicaciones entre Ia pasarela residencial local (3), Ia pasarela residencial remota (13) y el módulo de automatización HAM (1 ) siguen Ia misma estrategia. La base de datos (33) almacenada en Ia pasarela residencial remota (13) es solo una parte del estado completo de Ia vivienda porque su función es solo relativa a Ia parte de seguridad. Sin embargo, Ia base de datos (33) mantenida en Ia pasarela residencial local (3) es una copia completa de Ia guardada en Ia memoria no volátil de el módulo de automatización HAM (1 ), porque el software de administración ofrece un control completo de Ia vivienda.
La distribución de Ia información en los equipos remotos se realiza en dos fases diferenciadas:
- Fase de sincronización: coincide con el arranque del equipo remoto o con Ia detección de perdida de conexión en Ia red LAN (12), donde se supone que los datos de configuración y estado de los aparatos son inválidos y se requiere una actualización completa de los mismos. Esta fase provoca un tráfico de paquetes de consulta generados por el equipo remoto y dirigidos al módulo de automatización HAM (1 ), con Ia intención actualizar toda su información. - Fase de refresco: permite tener actualizados el estado de los aparatos si algún equipo remoto o el módulo de automatización HAM (1 ) realiza algún cambio en los datos. Todo el proceso de refresco de datos es centralizado por el modulo de automatización HAM (1 ) que se encarga de actualizar el/los equipos remotos que Io necesiten. La estrategia de refresco de datos que se sigue es Ia siguiente:
- Un equipo remoto modifica el estado de un aparato.
- Se notifica Ia modificación al módulo de automatización HAM (1 ).
- El módulo de automatización HAM (1 ) notifica el cambio de estado en el resto de equipos remotos. Para los paneles de control (2), dado que pueden existir un número variable de estos, Ia notificación es enviada por difusión a Ia red (broadcast), con Io que se evita sobrecarga de procesamiento. En cambio, en el caso de Ia pasarela residencial local (3) y Ia pasarela residencial remota (13), Ia notificación se realiza de forma individual (unicast). Con esta estrategia de distribución se consigue que cada equipo remoto mantenga en todo momento una copia actualizada de los datos del sistema mientras esté en funcionamiento.
El protocolo SHAP (32) incluye además un conjunto de mensajes usados para programar de forma remota el código del módulo de automatización HAM (1 ) y los paneles de control (2). Se ha desarrollado un software para llevar a cabo esta tarea, que permite a personal especializado actualizar de forma local o remota el firmware del módulo de automatización HAM (1 ).
Obviamente, se han considerado los riesgos de seguridad que implican un protocolo de control domótico diseñado sobre Ia pila UDP/IP. El acceso a Ia red de Ia vivienda desde el exterior (Internet, (20)) tiene diversas implicaciones de seguridad relativas a Ia confidencialidad, autenticidad, autorización e integridad. En este sentido, con Ia intención de amortizar estos peligros, el protocolo SHAP (32) apuesta por una aproximación basada en criptografía simétrica. Mediante SHA-2 (Secure Hash Algorithm) se calcula un resumen de Ia carga de todos los paquetes, y el valor resultante es encriptado conjuntamente con Ia cabecera mediante AES (Advanced Encryption Standard), usando una clave simétrica compartida entre las entidades del sistema. El mensaje se completa con un CRC (Código de Redundancia Cíclica) del paquete completo. El resumen SHA asegura Ia integridad de Ia carga, y Ia encriptación AES proporciona autenticidad de Ia información transmitida, porque Ia sincronización entre en emisor y el receptor (incluido en Ia cabecera) es oculta. La confidencialidad no es directamente ofrecida por Ia carga del paquete, porque se asume que los propios paquetes encapsulados deben soportar encriptación si es necesario. Encriptar los mensajes del mapa de memoria en una operación de escritura del módulo de automatización HAM (1 ) es innecesario, por ejemplo, ya que Ia decodificación de todos los mensajes retrasaría el proceso demasiado. Los mensajes de alarma, por otro lado, pueden ofrecer encriptación por ellos mismos. A nivel de servicio, se ofrece confidencialidad por medio de un acceso seguro HTTPS. De Ia misma forma, el control de acceso implementado en Ia aplicación de administración 3D (35) ofrece autenticación en el acceso al sistema.
Debido a Ia relevancia de los servicios de seguridad en los actuales sistemas de domótica en el hogar, se ha incluido un sistema de seguridad integral en Ia arquitectura del sistema. Sensores (6) locales conectados al módulo de automatización HAM (1 ), como pueden ser presencia, ruido y sensores de apertura de puertas, se usan como entradas del sistema de seguridad. Como puede verse en Ia Figura 1 , hay varias entidades llamadas "receptoras de alarmas": Ia receptora de alarmas PSTN (15), Ia receptora de alarmas celular (16), y Ia receptora de alarmas WAN (17); todas ellas están ubicadas en un centro de control de alarmas (14), que están a cargo de recibir los eventos de seguridad de los edificios. Estas receptoras de alarmas (15), (16), (17), son entidades lógicas (software) que se ejecutan sobre servidores localizados en el centro de control de alarmas (14) de Ia compañía de seguridad involucrada.
Como se ha indicado, hay varios tipos de receptoras de alarma. El más común es el que conecta con un edificio a través de Internet (20) usando una conexión por cable. Sin embargo, el sistema ofrece Ia posibilidad de conectar el módulo de automatización HAM (1 ) con Ia central usando red celular (CN) o Ia red de teléfono (PSTN). La solución basada en el uso de red celular requiere un modem en el módulo de automatización HAM (1 ), de forma que el operador de Ia red ofrece una conexión directa a Internet (20). Las receptoras de alarma WAN (17), basadas en una conexión a Internet (20) por cable, o las de red celular (16), reciben notificaciones de seguridad mediante mensajes específicos del protocolo SHAP (32). En el caso de usar una conexión de red telefónica (PSTN), se usa una codificación basada en tonos para enviar los eventos de seguridad. Estas tres aproximaciones pueden, sin embargo, combinarse, e incluso varios del mismo tipo puede incluirse para ofrecer una fiabilidad mejorada. Los eventos de alarma son simultáneamente notificados a través de todas las receptoras de alarmas (15), (16), (17). Además, se sigue una estrategia de comunicación periódica continua entre las receptoras (15), (16), (17) y el módulo de automatización HAM (1 ). Este mecanismo previene que un atacante pueda bloquear los canales de seguridad. Todas las notificaciones de seguridad recibidas por las receptoras de alarmas son reenviadas al centro de control de alarmas (14) de Ia compañía de seguridad involucrada, donde se utiliza un software para procesar todos los eventos. Los mensajes de alarma usan el estándar Contact ID; sin embargo, el sistema está preparado para soportar otros tipos de formato como 4+2. Para Ia tarea concreta de envío de alertas a una receptora de alarmas IP (16), (17) el protocolo SHAP (32) se extiende de forma que, como paso previo al envío de las mismas, se realiza una negociación en Ia que se determina el formato que se empleará para encapsular las alertas en los paquetes que se vayan a enviar después. En este caso, el módulo de automatización HAM (1 ) propone una lista de formatos con los que es compatible y, en Ia respuesta, es Ia central Ia que decide cuál de ellos se empleará, en base al esquema de prioridades que tenga predefinido. Cada uno de los formatos que se soportan está representado por un número o versión, y Ia lista de las versiones soportadas es total o parcialmente conocida tanto por el módulo de automatización HAM (1 ) como por las receptoras IP (16), (17). El caso común es que se tengan diversos módulos de automatización HAM (1 ), soportando cada uno una versión distinta, mientras que las receptoras IP (16), (17) son compatibles con varias versiones para asegurar Ia compatibilidad tanto con módulos de automatización (HAM) (1 ) más antiguos como con otros instalados posteriormente, sin tener Ia necesidad de reprogramar los más antiguos para garantizar que puedan seguir enviando alertas a las receptoras IP (16), (17). Algunas veces, los edificios automatizados están incluidos en un dominio tipo urbanización donde se ofrece un servicio de seguridad. En este caso, el sistema ofrece Ia posibilidad de aplicar una estrategia de monitorización y seguridad sobre este conjunto de viviendas desde el centro local de control donde opera el personal de seguridad. La pasarela residencial remota (13) se usa en el sistema con este propósito. Un caso típico donde incluir este elemento es el servicio de seguridad local ofrecido en un complejo residencial (véase Ia figura 1 ). La pasarela residencial remota (13) se usa en esta configuración para recibir los eventos de seguridad de los edificios. Esto podría ser una opción preferible en dominios administrativos pequeños o medianos. La pasarela residencial remota (13) contiene una versión modificada del software instalado en Ia paralelas residenciales locales (3), de ahí que sea capaz de conectar con los módulos de automatización HAM (1 ) individuales de cada edificio. De esta manera, incluye un interfaz que permite al personal de seguridad centralizar los eventos de seguridad de todas las casas controladas. La pasarela residencial remota (13) también guarda una copia local reducida de Ia base de datos (33) que contiene el estado de cada dispositivo controlado. Algunas veces, Ia pasarela residencial remota (13) podría estar localizada en Ia misma red LAN (12) que los edificios controlados. En Ia Figura 1 se muestra el caso más general.
Las distintas entidades de Ia arquitectura, sistema integral de control, seguridad y domótica, se presentan a continuación en detalle.
El módulo de automatización
El módulo de automatización HAM (1 ) está basado en Ia arquitectura hardware SIROCO (System for Integral ContROI and COmunication). Los diferentes módulos que componen Ia unidad pueden verse en Ia Figura 2. SIROCO es un sistema modular altamente adaptable y compatible con Ia regulación actual en seguridad (EN-50131 y EN-50136). Sistemas similares a menudo apuestan por arquitecturas más simples y menos flexibles; por el contrario, SIROCO da Ia opción de instalar una solución de bajo coste o bien sistemas más completos expandiendo el hardware base con los módulos requeridos.
El corazón del sistema es un microcontrolador de 32-bit basado en Ia arquitectura ARM. Una tarjeta principal de procesado (21 ) MPU (Main Processor Unit) está equipada con capacidades básicas de entrada/salida a través de puertos serie y paralelo, I2C, SPI, y una conexión Ethernet. La tarjeta de procesado MPU (21 ) es Ia base tanto del módulo de automatización HAM (1 ) como de los paneles de control (2). El módulo de automatización HAM (1 ) también puede extenderse a través de más tarjetas que Ie dan mayor capacidad de entrada/salida y comunicaciones. Las comunicaciones específicas para domótica son proporcionadas por los transceivers X10 (28) y EIB (27). El interfaz de usuario es una pantalla táctil (25), tipo LCD a color de 5,6". Existe una versión de interfaz de usuario de bajo coste formado por un LCD alfanumérico y un teclado de 16 botones. La tarjeta de procesado MPU (21 ) se extiende con dos tarjetas adicionales: Ia tarjeta de expansión base (23) y Ia tarjeta de comunicaciones (22).
La tarjeta de expansión base (23) proporciona un interfaz de entrada/salida directo para sensores (6), electrodomésticos (7) y dispositivos domóticos (31 ) a controlar. SIROCO está diseñado como un sistema de automatización distribuido por medio de sus diferentes buses, pero además soporta un gran número de conexiones centralizadas en el módulo de control. Aparte de Ia expansión base, incluida en Ia unidad central, es posible añadir hasta 16 tarjetas adicionales llamadas tarjetas o módulos de expansiones laterales (24) a través del bus de expansión entrada / salida E/S (26), que aumenta Ia conectividad directa de Ia unidad central. Con esta configuración, se pueden abordar esquemas de control complejos.
La tarjeta de comunicaciones (22) está equipada con un interfaz radio ZigBee (8), para comunicación con sensores inalámbricos, y una conexión cableada de bus CAN (1 1 ). Se han desarrollado módulos CAN (5) de pequeño tamaño que disponen de dimmers y entradas/salidas remotas adicionales para proporcionar conectividad con un amplio rango de dispositivos domóticos (31 ) (luces, persianas, etc.). El bus CAN (11 ) se ofrece como una alternativa al bus EIB (9) para casos en los que se requiere un canal de comunicaciones cableado más flexible con sensores remotos no necesariamente compatibles con EIB. Aparte del canal de interfaz Ethernet proporcionado por Ia tarjeta principal (21 ) MPU, Ia tarjeta de comunicaciones (22) incluye un modem celular (GSM/GPRS/UMTS) y un interfaz telefónico DTMF (Dual- Tone Multi-Frequency), principalmente orientado al envío de eventos de seguridad a las receptoras de alarmas. La Figura 3 muestra el módulo de automatización HAM (1 ) en Ia versión que incluye Ia pantalla táctil (25) como interfaz de usuario (véase Ia disposición inferior). La tarjeta de procesado MPU (21 ) queda visible en Ia parte superior de Ia circuitería, y Ia expansión base de entradas y salidas se encuentra bajo ésta. La tarjeta de comunicaciones (22) se conecta sobre Ia tarjeta principal (21 ) MPU, y está cableada con los módulos transceivers X-10 (28) y EIB (27). El módulo de automatización HAM (1 ) dispone de fuente de alimentación (29) y batería (30) para evitar fallos de alimentación del sistema.
Paneles de Control El sistema cuenta con paneles de control (2) adicionales, basados en Ia misma arquitectura hardware SIROCO. Estos paneles garantizan un interfaz de usuario familiar, equivalente al ofrecido por el módulo de automatización HAM (1 ) dotado con pantalla táctil (25). Los paneles de control (2) ofrecen a los usuarios gestionar los dispositivos automatizados locales a su entorno (luces, persianas, electrodomésticos, climatización, etc.), y Ia correlación entre eventos y acciones asociadas. Adicionalmente es posible programar acciones periódicas o específicas. Los paneles de control (2), sin embargo, no pueden acceder directamente a Ia configuración general del sistema, guardada en el módulo de automatización HAM (1 ). El protocolo SHAP (32) se utiliza para enviar comandos al módulo de automatización HAM (1 ), como se ha descrito previamente. Se pueden definir acciones de control más complejas a través de Ia aplicación de administración, accesible a través de Ia red IP.
Los usuarios pueden definir perfiles de configuración en los paneles de control. De esta forma, un conjunto de estados de los dispositivos, y acciones a ser llevadas a cabo bajo ciertas condiciones, pueden salvarse usando nombre familiares como "En el trabajo" o "Dormir".
La alarma de Ia casa puede armarse/desarmarse a través de un panel de control (2) previamente definido. Sin embargo, cualquier panel puede usarse para activar las alarmas de pánico, seguridad e incendio en cualquier instante. Además, cuando Ia alarma es activada por el módulo de automatización HAM (1 ) (debido a lectura de sensores), los paneles de control avisan a los usuarios con señales acústicas y luminosas.
Software de Configuración e Instalación
La aplicación de configuración e instalación (34) permite al personal especializado el acceso local o remoto a Ia configuración de Ia vivienda a través de un ordenador (18) con una conexión IP con el módulo de automatización HAM (1 ). La aplicación utiliza un acceso UDP/IP vía el protocolo SHAP (32), o bien una conexión directa vía serie con el módulo de automatización HAM (1 ).
El software permite al instalador configurar las diferentes particiones y zonas del sistema de seguridad, establecer los dispositivos conectados al sistema, y definir los canales de comunicaciones permitidos desde el exterior a Ia vivienda. Toda esta información se guarda en Ia base de datos (33) del módulo de automatización HAM (1 ). El interfaz de usuario permite establecer perfiles de operación iniciales y acciones a ser ejecutadas bajo ciertos eventos detectados por los sensores. Con el objetivo de hacer más sencilla Ia configuración de las viviendas, Ia aplicación ofrece al usuario configuraciones predefinidas que pueden usarse como punto de partida. Todas las configuraciones pueden además ser salvadas para su posterior uso en otras viviendas.
Aparte de Ia utilización del software para Ia modificación de Ia configuración general de Ia vivienda, Ia aplicación puede usarse para monitorización de las comunicaciones. El tráfico a través de las redes X10 (10), EIB (9) y los paquetes UDP enviados y recibidos por el módulo de automatización HAM (1 ) pueden ser analizados con esta herramienta.
Pasarela Residencial. Aplicación de administración local/remota del sistema Adicionalmente a los paneles de control (2) y Ia pantalla opcional (25) en el módulo de automatización HAM (1 ), una aplicación de administración (35) ofrece a los usuarios capacidades de monitorización y control local y remoto desde cualquier ordenador (18) conectado a Internet (20). Como ya ha sido explicado, Ia aplicación está localizada en un servidor HTTP en Ia pasarela residencial local (3). Ésta incluye un programa basado en tecnología Flash, que se descarga desde el servidor y ofrece una visión extendida de Ia casa completa.
El usuario, empleando esta aplicación de administración (35), tiene una visión tridimensional (3D) de Ia casa y puede manejar el sistema de automatización como si estuviera en Ia vivienda. Varias cámaras IP (4) instaladas en Ia vivienda pueden usarse para ofrecer una visión en tiempo real de los lugares deseados de Ia vivienda.
Una variante de esta aplicación está disponible para Ia pasarela residencial remota (13), en lugares donde se pueden ofrecer servicios de seguridad local. Por medio de este software, el personal de seguridad en urbanizaciones y resorts puede monitorizar todas las casas automatizadas. Esta versión de Ia aplicación centraliza Ia recepción de alarmas de las casas, e incluye características básicas para controlar ciertos dispositivos, tal como las luces del hall, sensores de seguridad y alarmas audibles. Tal esquema reduce el precio del despliegue del sistema en instalaciones de bajo coste, ya que las tareas de monitorización se dejan al personal de seguridad, y las pasarelas residenciales locales no son necesarias.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes caracterizado por una arquitectura compuesta de: - un módulo de automatización HAM (1 ), como elemento principal del sistema, que incluye al menos una base de datos principal de configuración (33),
- diversos paneles de control (2), que hacen de interfaz con el usuario,
- una pasarela residencial local (3), para realizar Ia comunicación con el exterior del edificio, - diversos módulos CAN de control (5), para un control distribuido de dispositivos y luces,
- una pasarela residencial remota (13), que permite realizar Ia gestión remota del sistema,
- un centro de control de alarmas (14), para Ia recepción y gestión de alarmas (15), (16), (17),
- una aplicación de configuración e instalación (34) a través de un ordenador conectado al sistema a través de Internet (20),
- una aplicación de administración (35) que permite hacer de interfaz desde un ordenador conectado a Internet (20), donde una red de comunicaciones LAN (12) enlaza el módulo de automatización (1 ), los diversos paneles de control (2) y Ia pasarela residencial local (3), y los diversos módulos CAN (5) de entrada/salida enlazan con el módulo de automatización (1 ) a través de un bus CAN (11 ), y Ia pasarela residencial remota (13) y el centro de control de alarmas (14) se conectan a través de Internet (20) con los distintos elementos del edificio, y dicho centro de control de alarmas (14) se conecta, además, mediante PSTN con el módulo de automatización HAM (1 ).
2. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según Ia reivindicación 1 caracterizado por que el módulo de automatización HAM (1 ) está formado por:
- una tarjeta principal de procesado MPU (21 ) basada en un microcontrolador, y equipada con capacidades básicas de entrada/salida a través de puertos serie y paralelo, I2C, SPI y Ethernet,
- una tarjeta de comunicaciones (22) que da conectividad celular, telefónica, de bus CAN y Zigbee al sistema,
- una tarjeta de expansión base (23), dotada de entradas y salidas analógicas y digitales al sistema,
- una fuente de alimentación (29) y batería (30), en caso de falta de suministro en Ia red eléctrica, - módulos de expansiones laterales (24), para disponer de un mayor número de entradas y salidas,
- y opcionalmente un interfaz gráfico (25), tipo LCD táctil a color, o bien teclado y pantalla alfanumérica, y los módulos CAN remotos (5) están formados por:
- un conjunto de entradas analógicas y digitales,
- un conjunto de salidas, que permiten controlar Ia regulación de Ia intensidad para sistemas de iluminación,
- un conjunto de entradas donde se conectan pulsadores simples para poder actuar sobre las salidas anteriores (encender, apagar y regular), y los paneles de control (2) están formados por:
- una tarjeta principal de procesado MPU, y
- un dispositivo táctil gráfico a color, tipo LCD, de manera que todo el sistema permite una actualización y mantenimiento de forma remota, a través de Internet (20) por un operador del sistema, y admite varias configuraciones y tipos de sistemas de interacción, bien a través de los paneles de control (2) o desde cualquier ordenador (18) que emplee Ia aplicación de administración (35) sita en Ia pasarela residencial local (3) y/o pasarela residencial remota (13).
3. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el módulo de automatización HAM (1 ) puede:
- conectarse a los distintos elementos del edificio simultáneamente a través de los buses domóticos X10 (10) y EIB (9), realizar conexiones a través de bus
CAN (11 ), inalámbricas mediante Zigbee (8) o directamente a las entradas y salidas de las distintas expansiones (23), (24) del módulo de automatización HAM (1 ) o de los módulos entrada/salida CAN (5), y. - actuar, a Ia vez, como un dispositivo EIB ofreciendo a los elementos conectados al bus EIB (9) (pantallas táctiles, teclados, sensores) pleno control del resto de elementos del edificio, cualquiera que sea Ia tecnología de las mencionadas de estos elementos (X10, ZigBee).
4. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que Ia comunicación entre el módulo de automatización HAM (1 ) y el centro de control de alarmas (14) puede realizarse simultáneamente por los siguientes medios: - a través de acceso WAN IP por medios cableados, es decir, mediante una conexión Ethernet, soportando por tanto entre otros Ia conexión a cable- modem, líneas ADSL o ISDN,
- a través de acceso IP en redes de telefonía celular (sistemas GPRS/UTMS), - a través de mensajes SMS dentro de redes GSM,
- usando Ia infraestructura de telefonía fija PSTN, y se pueden realizar estrategias combinando estas vías, existiendo, además, una comunicación simultánea e ininterrumpida por IP para verificar que el sistema de alarma está armado y funciona correctamente.
5. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que módulo de automatización HAM (1 ) tiene una arquitectura que:
- es ampliable y configurable remotamente, de manera que con una configuración mínima formada por el módulo de automatización HAM (1 ) el sistema ya puede trabajar con toda Ia funcionalidad,
- puede crecer de forma centralizada según el tamaño del edificio a controlar a través de Ia tarjeta de expansión base (23) y tarjetas de expansiones laterales (24) y, al mismo tiempo, también puede crecer de forma descentralizada a través de los dispositivos conectados a los distintos buses posibles (8), (9),
(10), (11 ), (12),
- y todas las ampliaciones son configurables remotamente.
6. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que emplea una estrategia distribuida al almacenar los datos de configuración y estado de los aparatos (base de datos de configuración (33)), de manera que en los equipos remotos (pasarela residencial local (3), pasarela residencial remota (13) y paneles de control (2)) se mantienen réplicas de Ia información guardada en el módulo de automatización HAM (1 ), siendo aquéllas actualizadas sólo cuando se detectan cambios, Io que reduce el número de accesos directos al módulo de automatización HAM (1 ) así como el tiempo de respuesta y, al mismo tiempo, supone una redundancia de Ia información del sistema.
7. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que un protocolo de comunicaciones SHAP (Superior Home Automation Protocol) (32), que utiliza UDP como capa de transporte, conecta el módulo de automatización HAM (1 ) con las distintos dispositivos locales y remotos, siguiendo una estrategia de ventana deslizante para asegurar el control de flujo de datos.
8. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según Ia reivindicación 7, caracterizado por que se envían mensajes de control de los paneles de control (2) al módulo de automatización HAM (1 ) usando el protocolo SHAP (32), de manera que los paneles de control (2) anotan cualquier cambio de estado de un dispositivo cuando recibe Ia confirmación del módulo de automatización HAM (I ).
9. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según Ia reivindicación 8, caracterizado por que Ia distribución de Ia información en los equipos remotos se realiza en dos fases diferenciadas:
- fase de sincronización, que coincide con el arranque del equipo remoto o con Ia detección de perdida de conexión en Ia red LAN (12), donde los datos de configuración y estado de los aparatos son inválidos y se requiere una actualización completa de los mismos, Io que provoca un tráfico de paquetes de consulta generados por el equipo remoto y dirigidos al módulo de automatización HAM (1 ), con Ia intención actualizar toda su información, y.
- fase de refresco, que permite tener actualizados el estado de los aparatos si algún equipo remoto o el módulo de automatización HAM (1 ) realiza algún cambio en los datos, donde el proceso de refresco de datos está centralizado por el modulo de automatización HAM (1 ) que se encarga de actualizar el/los equipo/s remoto/s que Io necesiten.
10. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según Ia reivindicación 9, caracterizado por que Ia estrategia de refresco de datos que se sigue es Ia siguiente:
- un equipo remoto modifica el estado de un aparato,
- se notifica Ia modificación al módulo de automatización HAM (1 ), - el módulo de automatización HAM (1 ) notifica el cambio de estado en el resto de equipos remotos, de manera que para los paneles de control (2) Ia notificación es enviada por difusión a Ia red (broadcast), mientras que para Ia pasarela residencial local (3) y Ia pasarela residencial remota (13), Ia notificación se realiza de forma individual (unicast).
1 1. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por que el protocolo SHAP (32) realiza una aproximación basada en criptografía simétrica, de manera que mediante un algoritmo SHA-2 (Secure Hash Algorithm) se calcula un resumen de Ia carga de todos los paquetes, y el valor resultante es encriptado conjuntamente con Ia cabecera mediante AES (Advanced Encryption Standard), usando una clave simétrica compartida entre las entidades del sistema, completándose el mensaje con un código de redundancia cíclica (CRC) del paquete completo.
12. - Sistema integral de control, seguridad y domótica para edificios inteligentes según Ia reivindicación 1 1 , caracterizado por que el protocolo SHAP (32) se extiende para Ia tarea concreta de envío de alertas a una receptora de alarmas IP (16), (17) de forma que, como paso previo al envío de las mismas, se realiza una negociación en Ia que se determina el formato que se empleará para encapsular las alertas en los paquetes que se vayan a enviar después, de manera que el módulo de automatización HAM (1 ) propone una lista de formatos con los que es compatible y, en Ia respuesta, es el centro de control de alarmas (14) el que decide cuál de ellos se empleará, en base al esquema de prioridades que tenga predefinido.
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