Diseño e implementación de un sistema de hogar inteligente heterogéneo de bajo costo que integre nodos IoT basados en FPGA, microcontrolador y nodos comerciales

Abstract

El Internet de las cosas (IoT) permite la comunicación entre seres humanos y cosas a través de una red global, siendo una de sus principales aplicaciones el hogar inteligente (Smart home), que brinda comodidad, seguridad y eficiencia energética a los usuarios. En Ecuador, pocas empresas ofrecen soluciones orientadas al hogar inteligente, siendo uno de los principales factores a considerar el alto costo. Por esta razón, solo un grupo reducido de la población dispone de este servicio. En el presente trabajo de titulación se plantea el diseño, implementación e integración de diferentes nodos IoT siguiendo la tendencia de Smart Home mediante el uso de sensores, actuadores, placas de desarrollo y nodos comerciales propietarios. Todos se conectan mediante el protocolo MQTT y un dashboard implementado en la plataforma de automatización Home Assistant. De esta manera, se pretende contribuir a la masificación del uso de IoT a nivel doméstico, encontrando soluciones de bajo costo, fácil implementación y bajo consumo energético. Los dispositivos inteligentes implementados se basan en una tarjeta electrónica que tiene como elemento principal un microcontrolador o una FPGA, siendo el uso de ésta última, una nueva tendencia en el mercado. Sin embargo, existen muy pocos fabricantes que desarrollan tarjetas basadas en FPGA, y por ende existe una cantidad limitada de librerías y ejemplos para poder explotar las tarjetas de desarrollo. De allí que, la principal contribución del presente trabajo de titulación es la integración de este tipo de nodos a una red de hogar inteligente. El trabajo tuvo un gran componente de investigación y programación en lenguaje VHDL y C, para poder desarrollar la aplicación sobre la FPGA y su interacción con el módulo WIFI/Bluetooth de la tarjeta. Una vez integrados todos los nodos, se realizaron pruebas de rendimiento que demuestran que el tiempo de respuesta promedio en la red interna y externa es aceptable, brindando una buena experiencia al usuario. Por otro lado, el consumo energético del sistema es muy bajo por lo que es aconsejable su implementación a nivel doméstico, ya que los beneficios de ahorro de energía son considerables.