Lonworks

Lonworks

Domótica Lonworks

¿Qué es LonWorks?

Es un sistema domótico de la compañía americana Echelon Corp (http://www.echelon.com).

Al igual que KNX, LonWorks es un sistema que se puede utilizar tanto domótica como inmótica.

Funciona mediante de “nodos” que a lo largo de la red que gestionan los distintos sensores y actuadores. La instalación y configuración de estos nodos debe ser realizada por profesionales utilizando las herramientas informáticas apropiadas (Lonmaker).

La domótica LonWorks es una tecnología muy robusta y fiable por lo que está especialmente indicada para la automatización industrial, ámbito del que procede, aunque actualmente encaja perfectamente tanto en el control de edificios como en la propia automatización de hogares.

Por medio de un Bus (cable) de comunicaciones que une todas las plantas de la vivienda, los módulos a él conectados comparten información unos con otros. La gran ventaja de este sistema es que queda abierto a la incorporación de nuevos elementos que se integren en la red, como pueden ser luces exteriores de jardín, riego automático, alarmas técnicas en calderas, etc, así como el hecho de disponer de un cableado virtual mediante el cual, en cualquier momento se puede reconfigurar la instalación para conseguir actuaciones y funcionalidades diferentes.

Lontalk

LonTalk

LonTalk es el protocolo de LonWorks. Ha sido diseñado por Corporación Echelon como una plataforma universal para casi cualquier sistema de control. La tecnología, principalmente el protocolo y el medio de programación fueron diseñados para ocuparse de las idiosincracias y demandas de las redes de control.

El protocolo LonTalk es una completa realización de todas las 7 capas del modelo de referencia 0SI y no tiene que estar sólo abarcado por EIA (EIA-709) sino también por cuerpos estándard (IEEE, ANSI, IFSF, ASHRAE, CEN, SEMI y AAR para mencionar algunos).

Está abierto al uso de cualquiera en cualquier plataforma (programación) y procesador. Los Chips Neurona memorizan y gestionan la comunicaión entre dispositivos. Toshiba, Cypress semiconductor y Motorola los manufacturan y los venden por todo el mundo.

El protocolo LonWorks sigue el modelo de referencia para la interconexión de sistema abiertos (OSI) desarrollado en 1984 por la ISO. El modelo de la OSI es un modelo basado en capas en el cual cada capa tiene sus responsabilidades y provee de servicios a la capa superior e inferior para que la comunicación sea eficaz y posible.

El modelo de la OSI presenta 7 capas y Lontalk, que deriva de ese modelo, también:

  1. Física
  2. Enlace de datos
  3. Red
  4. Transporte
  5. Sesión
  6. Presentación
  7. Aplicación

En un modelo de transmisión de datos siempre se entiende que la transmisión de datos está encapsulada con información que gestiona cada una de las capas del modelo. Es decir existen una serie de encabezados que cada capa gestionará de una forma u otra para tomar una serie de decisiones protocolizadas para que la transmisión de los datos sea correcta. Al final del modelo, la capa superior recibirá los datos en sí correctamente y entonces la transmisión habrá sido un éxito.

Por ejemplo las variables de red que ya hemos comentado en el portal, se encontrarían en la capa superior de aplicación mientras que los transceivers multimedio (los interfaces de conexión ente los cables del medio y los nodos) lógicamente se encontrarían en el modelo en la capa más inferior llamada capa física.

Comentemos en general las diferentes capas de las que dispone Lontalk para en artículos venideros introducirnos en detalle en cada una de ellas.

La capa física, define la transmisión de bits en el canal de comunicaciones, siendo este un medio de transmisión físico de paquetes de datos.Todo dispositivo Lonworks se conecta a un canal físicamente por medio de un transceiver, que implementa la capa física del ANSI/EIA/CEA 709.1. La capa física asegura los niveles de tensión para que 1 bit transmitido por un nodo origen sea recibido como 1 bit por el nodo destino. Lontalk es independiente del medio y soporta múltiples protocolos de capa física.

La capa de enlace define los métodos de acceso al medio y la codificación de datos para asegurar un uso eficiente del canal de comunicaciones. Los bits de la capa física conforman en la capa de enlace una trama (frame). Indica además cuando un nodo puede transmitir una trama y como la recibe el nodo destino y se detectan los errores de transmisión. Esta capa proporciona un mecanismo para asignar prioridad a los mensajes, de manera que los mensajes más importantes se entregan antes. También es la encargada de controlar el acceso al medio. Para acceder al medio, Lontalk define un algoritmo llamado p-persistent CSMA. Consiste en evitar las colisiones en el canal de comunicaciones haciendo una previsión de la carga que se va a soportar en el mismo. Para conseguirlo se aleatoriza el tiempo con que cada nodo intenta transmitir por la red. Este algoritmo de acceso al medio se utiliza en muchísimos protocolos y es uno de los más eficientes ya que no satura el bus de comunicaciones evitando sobrecargas y colisiones. Para terminar con esta capa diremos también que se encarga de chequear (CRC) los posibles errores que provengan de su capa inmediatamente superior, la de red.

La capa de red, indica como se han de encaminar los paquetes de mensajes desde un nodo fuente a un nodo destino. Esta capa define el nombre y dirección de los nodos para asegurar la correcta entrega de los datos. También indica como encaminar mensajes cuando los nodos se encuentran en distintos canales.

Las capas 4 y 5, de transporte y sesión, son las encargadas de asegurar la fiabilidad en la entrega de los mensajes que contienen los paquetes. Las capas de transporte y sesión definen el tipo de servicio de los mensajes (con reconocimiento, sin reconocimiento, sin reconocimiento repetido, petición – respuesta). Además en ellas se implementa un mecanismo de autentificación y de detección de paquetes duplicados.

Ya para terminar las últimas capas del modelo la de presentación y la de aplicación ofrecen a grandes rasgos los siguientes servicios:

  • Propagación de variables de red
  • Alias de variables de red
  • Pasarela de mensajes generales
  • Mensajes de gestión de red
  • Mensajes de diagnóstico de red
  • Transmisión de tramas externas
domotica Lonworks

Medios de Transmisión en Redes Lonworks

En una red de control domótica Lonworks la conexión física de un Neuron (la parte del dispositivo que se ‘engancha’ a la red) se realiza a través de los transceivers (transceptor), los cuales son unidades especiales de acoplamiento al medio. Debe su nombre a la capacidad que tiene para transmitir y recibir (transmitter receiver).

Los medios de transmisión empleados:

  • Par trenzado (Twisted Pair)
  • Corrientes Portadoras (Power Line)
  • Fibra Óptica
  • Cable Coaxial
  • Radiofrecuencia
  • Par Trenzado (Twisted Pair)

Estabilidad, bajo coste y manejabilidad
Velocidad Tx. Hasta 1.25Mbps
Alta fiabilidad. Menos propenso a interrupciones

Par Trenzado con LinkPower

  • Suministro de comunicaciones y alimentación a través del par trenzado
  • Terminación de red en F.A. (Fuente Alimentación)
  • En caso de nodos de montaje superficiales se suministran con Link Power
  • Corrientes Portadoras (Power Line)

Medio de Tx. Red eléctrica (220V AC)

  • Varios rangos de frecuencia
  • Sin cableado adicional, ni preinstalación
  • Flexibilidad
  • Resistente a interrupciones
  • Velocidad Tx. ~10 Kbps

Fibra Óptica

  • Tx. Basada en el principio de reflexión de las ondas de luz
  • Elevadas velocidades de Tx.
  • Robustez frente a interferencias electromagnéticas
  • Alcanzan largas distancias. Fundamentalmente empleado en conexiones punto a punto con largas distancias

Cable Coaxial

  • Velocidad de Tx. Media
  • Propenso a interrupciones en las comunicaciones
  • Especial atención a la instalación del cable

Radiofrecuencia

  • Tx. Mediante ondas electromagnéticas
  • Flexibilidad total de posicionamiento de los dispositivos
  • No requiere cableado
  • Coste elevado
  • Alta sensibilidad a las interferencias
  • Velocidad de Tx. ~5 Kbps
  • Dificultad en la estructura de red
  • Rango de alcance limitado

Dentro de cada uno de los medios comentados, existen diferentes tipos de cable a emplear, los cuales nos proporcionarán mayores o menores velocidades de acuerdo a la composición y aislamiento de los mismos respecto a agentes externos. Otros factores a tener en cuenta, son las topologías permitidas en cada uno de los ellos, ya que con cualquier medio, no es viable emplear cualquier topología. Entre las topologías, mencionar la tipo Bus, Libre, y en Anillo.

Variables de Red en Lonworks.

Permitirme recordaros que entre otras cosas hemos tratado conceptos como topología, clases de nodos, transceivers, medios de transmisión, neuron chip por lo que desde el portal creemos que ha llegado el momento de introduciros en el fascinante mundo de las variables de red.

Recapitulando un poco, una red Lonworks está compuesta por nodos que ejecutan individualmente su aplicación y que están físicamente conectados unos con otros mediante los transceiver y el medio de transmisión. La conexión permite a los nodos intercambiar datos entre si, creándose así un sistema completo. Estos nodos se comunican entre sí utilizando el protocolo estándar Lontalk embebido en el Neuron Chip de Echelon que posee cada uno.

Llegados a este punto y si entramos a analizar la tecnología aparece el concepto de variables de red las cuales resuelven las conexiones lógicas entre nodos. La información en una redLonworks se transporta de un nodo a otro a través de las variables de red. La tarea del ingeniero, que primero dimensiona la red con el número y tipos de nodos, longitudes, etc, etc, es posteriormente la configuración de la misma conectando las variables de red de los distintos nodos. Para ello utilizamos el Lonmaker (que ya hemos comentado por el portal), siendo este la herramienta de instalación que representa los nodos como un objeto formado por variables de red y que nos permite configurar y poner en marcha la instalación dotando de vida propia a los nodos.

Los diferentes tipos de variables de red son los siguientes:

Entrada : Son aquellas a través de las cuales otros equipos (nodos, PC´s, …) le indican al propio nodo determinadas operaciones que se deben realizar o de determinados acontecimientos que se han producido.
Salida : Son aquellas a través de las cuales se informa a otros equipos (nodos, PC´s, …) de determinadas operaciones que se deben realizar o de determinados acontecimientos que se han producido.
Configuración : Son aquellas a través de las cuales se configura al equipo para efectuar determinadas operaciones siempre que se produzcan otros eventos externos. Estos valores permanecen aunque se produzca un reset en el equipo.
Como podéis observar una variable de red es cualquier valor u objeto (temperatura, cambio de estado, valor posición de un actuador) que un nodo en concreto con su programa de aplicación espera obtener de otro nodo en la red (variable de entrada) o espera publicar en la red con destino otro nodo (variable de salida).

Cuando se utiliza el Lonmaker y se empiezan a relacionar las variables que te ofrece el nodo en concreto representado como un objeto hay que tener en cuenta una serie de aspectos en cuenta que entre otras cosas son bastantes lógicos. Por ejemplo, las variables de red de salida sólo pueden conectarse a variables de red de entrada ó que sólo se pueden conectar variables de red del mismo tipo. Si por lo que sea nos despistamos e intentamos realizar cosas erróneas el propio Lonmaker no nos permitirá realizar las conexiones / relaciones.

Como ya hemos comentado estas variables consideradas en el protocolo Lontalk están estandarizadas con el fin de que dispositivos de distintos fabricantes sean interoperables. Para asegurar está interoperabilidad y bastantes cosas más nació la asociación Lonmark. La tarea de la asociación LonMark es facilitar la integración de sistemas suministrados por múltiples compañías para redes LonWorks. Hoy en día más de 3.500 compañías usan redes de control LonWorks para desarrollar sistemas y soluciones para edificios, hogares, industria, telecomunicación, transporte y otras áreas industriales.

Para terminar y citándoos para el próximo artículo de Lonworks donde seguiremos hablando de las variables de red, queríamos comentar como Lonmark define las variables de red. Estas son llamadas SNVT (Standard Network Variables Types), variables estándar y garantiza que si todos los fabricantes fuesen capaz de seguir estas guías todos los dispositivos serían integrables entre si sin que un desarrollador tuviese que intervenir en el proceso. Una de las guías más importantes que Lonmark publica es la SNVT Master List (Lista Maestra de Tipos de Variables de Red Estándar), es decir, una lista estandarizada de variables de red.

inmoticaLonworks

Equipos Lonworks por la red eléctrica.

Es una alternativa sencilla y fiable

Hasta el momento, los sistemas de control se han orientado al mercado de las nuevas construcciones o remodelaciones. En nuevas construcciones no hay muchos problemas en instalar equipos cableados ¿pero qué sucede cuando las edificaciones ya están construidas?

Realizar un sistema de control cableado en este tipo de edificaciones sin tener ninguna preinstalación resulta costoso y exige mucho tiempo ya que es necesario realizar rozas y canalizaciones.

Una de las maneras de minimizar el problema es utilizar sistemas con comunicaciones por corriente portadora (Power Line Communications PLC). PLC se s irve de las líneas de energía eléctrica convencionales ya desplegadas para transmitir datos.

La tecnología PLC ha tenido tradicionalmente muchos problemas de fiabilidad, en el caso de LonWorks bajo PLC ha sido posible mejorar y probar la fiabilidad debido a numerosas inversiones en grandes proyectos: la monitorización de 27 millones de contadores en Italia, el control de miles de farolas en centro Europa o la automatización de multiples edificios en Japón. Por todo ello es posible realizar proyectos en esta tecnología con cierta seguridad sin olvidar nunca que no es 100% seguro y que no es solución para obra nueva sino para remodelaciones o ampliaciones.

El motor de esta revolución tecnológica ha sido la empresa Echelon, creadora de la tecnología LonWorks que ha trabajado durante 12 años en l a tecnología LonWorks-PLC y ha incorporado una serie de técnicas innovadoras que garantizan una mayor fiabilidad en la comunicación. En estos momentos cualquiera de los más de 3000 fabricantes LonWorks puede incorporar estos avances en sus equipos y comunicarse por la red eléctrica.

Dentro de estas técnicas se encuentran el uso de doble frecuencia de operación, donde ante presencia de ruido, la frecuencia principal de funcionamiento cambia automáticamente a una frecuencia secundaria no contaminada.

Se emplea un procesamiento digital de la señal para eliminar ruidos y corregir las distorsiones provocadas por los equipos conectados a la red eléctrica (lavadoras, televisores, ordenadores, etc.).

Igualmente se ha incluido un algoritmo de corrección de errores (FEC – Forward Error Correction) que evita la transmisión de mensajes repetitivos e innecesarios y mantiene una comunicación íntegra y constante.

Otra técnica utilizada ha sido la incorporación de amplificadores en los transmisores llegando a una señal de 7Vrms. De este modo se consigue una mayor distancia de emisión y disminuir las interferencias del ruido sobre esta señal (el ruido no suele tener un voltaje tan alto). Teniendo en cuenta que los receptores llegan a distinguir señales de 70mV existe un amplio margen de atenuación antes de perder la señal. Para ciertas aplicaciones residenciales es posible incluso transmitir de una fase a otra sin necesidad de acopladores de fase.

La dirección de un dispositivo LonWorks-PLC es un número ID de 14 cifras (2 48 ) lo que hace posible que se instalen multitud de dispositivos en una misma red sin que exista conflicto. Por este motivo no es posible que una acción en una vivienda afecte a otra vivienda aunque no se instale ningún tipo de filtro. Además para grandes instalaciones es posible que ciertos equipos funcionen en modo repetidor amplificando la señal una vez realizada la instalación y estudiadas las limitaciones o perturbaciones de la red eléctrica.

Una de las mayores desventajas de una comunicación por PLC tradicional es su dependencia de la red eléctrica. En caso de fallo en la red eléctrica, se detiene la transmisión. Bajo el protocolo LonWorks-PLC es posible transmitir aunque hayan fallado los 230Vac de la red de manera que para aplicaciones de seguridad sea posible que un sensor de presencia alimentado con pilas siga transmitiendo y que nodos estándar con una pequeña batería interna puedan transmitir una última orden de fallo de energía al centro de control.

Las velocidades en LonWorks-PLC dependiendo de la banda de frecuencia de funcionamiento dispuesto por CENELEC van de 3600bps en banda A a 5400 bps en banda C (14-20 paquetes por segundo).

Para ciertas aplicaciones normalmente residenciales es posible configurar la red en modo autoinstalable y que no requiera de un especialista ni de un software de instalación.

La normalización del protocolo LonWorks, las técnicas incorporadas sobre PLC y el respaldo de los millones de dispositivos instalados en aplicaciones criticas como la automatización de edificios y sistemas de trasporte convierten a LonWorks-PLC en una tecnología garantizada.

Tipos de nodos de Lonworks

Una red domótica Lonworks de arquitectura distribuida está compuesta por una serie de nodos que se conectan unos con otro a través del bus de comunicaciones, el cual lleva dos hilos para datos y dos para la alimentación. Así tenemos;

Nodos de control estándar: son los encargados de controlar los parámetros de cada estancia. Cada uno soporta dos circuitos independientes de conmutación y dos entradas extra para sensores. La funcionalidad del nodo depende del programa (firmware) que se cargue en el nodo.

Nodos de supervisión Lonworks: son nodos dedicados a realizar la interface con el usuario. Cada función que el usuario necesita para supervisar y controlar el sistema está implementada en el correspondiente nodo. De esta manera, el usuario puede elegir para su vivienda las funciones que considere necesarias.

– Nodo de alarmas técnicas. (Agua, Gas, Humo y Fuego)

– Nodo de vigilancia de intrusión. (Simulación de presencia, vigilancia)

– Nodo de sirena interior. (Prueba de avisador acústico externo y rearme de alarmas)

– Nodo de luces exteriores. (Activación manual y automática con el sensor de luz)

– Nodo telefónico Lonworks. Realiza la interface entre la red domótica y la red telefónica, tanto la interior de la vivienda como la exterior. A través de este nodo se pueden controlar todas las funciones de la vivienda con el propio teclado del teléfono y confirma la ejecución de las funciones realizadas mediante voz natural.

– Nodo de portero. Realiza la interface entre el portero electrónico y el teléfono interior de la vivienda, de tal manera que al realizar una llamada en el portero, el usuario puede atender la llamada y abrir la puerta desde el propio teléfono de la vivienda.

– Nodo de televisión. Realiza de interface entre la red domótica y la televisión de la vivienda. Este nodo presenta en la pantalla de televisión la situación de los elementos de supervisión y el usuario puede controlar su vivienda con el mando a distancia.

Nodos exteriores: dentro de este tipo de nodos se agrupas aquellos que siendo de uso dedicado se instalan en el exterior de la vivienda. Dentro de ellos podemos destacar el nodo de sirena exterior y el nodo medidor de luz exterior.

Nodos de comunicaciones: estos son nodos dedicados específicamente a soportar la red de comunicaciones de la vivienda. Entre ellos podemos destacar:

– Nodo repetidor. Se utiliza para extender en longitud la red de comunicaciones de la vivienda, cuando esta supere los 1000m, o para aislar galvánicamente sectores de la red. Por ejemplo, cuando la red de comunicaciones sale al exterior de la vivienda, es conveniente que tanto la alimentación como los datos queden aislados de la red interior.

– Nodos Routers. El nodo router realiza una adaptación física y lógica de dos medios de transmisión diferentes.

Unidad de alimentación

La unidad de alimentación es la encargada de suministrar energía a los diferentes elementos activos de la red domótica (sensores, nodos, electroválvulas, etc.). La unidad de alimentación incorpora una batería (para vigilancia de intrusión) con autonomía suficiente para ocho horas de ausencia de suministro eléctrico. Opcionalmente se puede suministrar la unidad de alimentación redundante para casos en los que se requiere una alta fiabilidad. Básicamente la unidad de alimentación se compone de tres partes:

– Fuente de alimentación

– Cargador de baterías