Los cimientos tecnológicos que faltan para los edificios inteligentes

Desde el punto de vista de la ingeniería, podemos fácilmente hacer que los edificios sean más inteligentes, ya que ya tenemos los procesadores y el software necesarios. Los ingenieros pueden colocar un pequeño procesador de $ 3 en cada ubicación y conectarlos en red. Estas ubicaciones incluyen interruptores de luz, enchufes de luz, motores que mueven las cubiertas térmicas sobre las ventanas y bombas que mueven el agua de los tanques de almacenamiento térmico a las válvulas del radiador.

Luego están los grandes electrodomésticos, termostatos, sensores de temperatura, sensores de presencia y detectores de incendios. Estos dispositivos pueden controlar el aire central que fluye hacia cada habitación, mover el aire de una habitación a otra con un sistema central de HVAC y calentar o enfriar un tanque de almacenamiento térmico de agua a través de la energía solar para usarlo cuando el sol no brilla. Además, pueden mover agua subterránea a 60 ° F hacia bombas de calor, controlar las cubiertas de ventanas térmicas motorizadas incrustadas en la pared que se deslizan hacia afuera según sea necesario y ajustar la iluminación en cada bombilla.

Entonces, ¿cuál es el problema?

Hay varias razones por las que no sucede lo anterior:

• No contamos con un sistema de comunicación estándar aceptado en los edificios que pueda conectar procesadores con una confiabilidad ≥99.999% y a bajo costo. "Cinco nueves" significa que el sistema falla en promedio ≤10 minutos por año.
• No tenemos un sistema operativo (SO) estándar aceptado que funcione en todos los dispositivos de un edificio. Tenemos Windows para computadoras, iOS en iPhones y Android en otros teléfonos inteligentes. Eso permite que estos dispositivos informáticos se coordinen y se conecten a una variedad de paquetes de software. Sin embargo, no tenemos un sistema operativo aceptado para dispositivos de edificios inteligentes, lo que dificulta la integración de varios dispositivos inteligentes en un edificio de forma plug-and-play.

Cómo garantizar la fiabilidad

Cuando se enciende un interruptor de luz de pared físico, la comunicación entre el interruptor y la bombilla del techo está operativa ≥99,999% del tiempo. Es un punto sutil que recibe poca atención, pero que es importante. Los ocupantes y los constructores no aceptan menos confiabilidad de la infraestructura común del edificio.

Vale la pena señalar que las comunicaciones inalámbricas y de línea eléctrica son significativamente menos confiables con tasas de falla del orden del 1% al 10%. Esto se debe a la zona muerta, el espectro saturado, la baja relación señal / ruido, las antenas demasiado pequeñas y las señales bloqueadas. La comunicación por línea de energía implica colocar una señal de datos en un cable de energía, pero la señal debe enrutarse a la caja de fusibles y luego hacia afuera; se mezcla con caídas masivas de voltaje dinámico a lo largo del cable de alimentación y eso conduce a errores frecuentes.

Aquí, si los ingenieros quieren usar MCU de bajo costo para conectar en red un edificio, necesitan un cable que admita el bus CAN, el sistema de red que utilizan los automóviles para interconectar sensores y actuadores. Protegerá el cable de datos contra daños en caso de que se conecte accidentalmente al cable de alimentación.

Existe un tipo de topología de cableado llamada "árbol", lo que significa que un cable se conecta a varios dispositivos y tiene ramificaciones. Se necesitaría un sistema de cables de datos que admita esto, ya que los cables de alimentación y la geometría del edificio están configurados como ramas en un árbol. Es diferente de Ethernet, que tiene un solo cable entre dos dispositivos y de la conexión en cadena que tiene varios dispositivos a lo largo de un cable sin ramificaciones.

Aplicaciones ligeras y pesadas

Se puede dividir a los consumidores de un edificio inteligente en dos categorías:ligeros y pesados. La categoría ligera consume menos de 20 W, mientras que los usuarios intensivos consumen más. La categoría de luz incluye bombillas LED, interruptores de luz, termostatos, sensores de temperatura, sensores de presencia, detectores de incendios, motores para cubiertas térmicas de ventanas, motores para cortinas y persianas, motores para amortiguadores en conductos / ventilaciones y válvulas de radiador. La categoría pesada incluye 110/220 V _CA tomas de corriente, HVAC, grandes electrodomésticos y ventiladores.

Por ejemplo, una bombilla LED de 10 W consume 0,1 A a 110 V _CA , y es 1/200 ^th de un fusible de 20 A. La mayoría de los dispositivos de un edificio se incluyen en la categoría de luz. Para ahorrar dinero, los ingenieros pueden conectar dispositivos de luz con un voltaje de alimentación más bajo y un cable de alimentación menos voluminoso. Por ejemplo, la luz puede enrutar 48 V _DC Encienda un cable de 18 awg mientras que las aplicaciones pesadas pueden usar la _CA tradicional de 110/220 V encienda el cable de 14 AWG.

El _DC de 48 V La energía implica protección de cables de datos y electrónica de menor costo. Además, 48 ​​V _DC implica códigos de construcción con menos restricciones de cableado. Por lo tanto, si la mayoría de los dispositivos se alimentan con el _DC de 48 V menos costoso , los ingenieros pueden potencialmente redirigir el dinero ahorrado para incorporar dispositivos inteligentes en red en cada ubicación.

Una red de automatización se conecta desde una ubicación central en todo el edificio. Fuente:Manhattan 2

Software común en todos los dispositivos

Si los ingenieros quieren dispositivos inteligentes a bajo costo y alta confiabilidad, solo hay una forma de hacerlo:colocar el mismo software en todos los dispositivos. También es la única forma de lograr que el mundo acepte hacerlo gratis y abierto, lo que significa que cualquiera puede usarlo y cambiarlo sin costo alguno. Hay un requisito más:la calidad. El sistema no será bien recibido si tiene errores y no está bien documentado.

Existen protocolos de red que definen cómo interactúan los dispositivos, pero no incluyen software que facilite un sistema inteligente completo. Por lo tanto, los estudiantes de ingeniería están trabajando en un sistema operativo de dispositivo inteligente abierto y gratuito en UMass Amherst y otras escuelas llamado BuildingBus.

Cualquier dispositivo puede enviar un mensaje a cualquier otro dispositivo; puede leer o escribir cualquier puerto dentro de cualquier otro dispositivo; puede recibir una biblioteca que contiene información sobre otros dispositivos; puede monitorear sensores de cualquier otro dispositivo en pseudo-tiempo real; y puede enviar un comando a cualquier otro dispositivo. Dado que cada dispositivo sabe qué software se está ejecutando en todos los demás dispositivos, puede coordinar actividades fácilmente al tiempo que presenta tolerancia a fallas, alta confiabilidad y plug-and-play.

El mismo sistema operativo en todos los dispositivos y un sistema de comunicación confiable podría hacer que los edificios sean más inteligentes y más eficientes energéticamente a bajo costo. Los investigadores ya están trabajando en esto. Sin embargo, no está claro cuál de las diversas iniciativas producirá la mejor solución y, en los próximos años, probablemente veremos varias soluciones emergentes para hacer que los edificios sean más inteligentes.

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, EDN .