Tecnólog@ Vol. 1, No. 3, sept- dic/2008

© 2007 CICATA-Querétaro-IPN. ISSN en trámite. México

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La Domótica como Solución a la Problemática Ambiental

y Económica de la Actualidad.

Daniel Angeles Díaz, Jorge A. Huerta Ruelas. Mecatrónica, CICATA-Querétaro-IPN; Cerro Blanco 141, 76090, Querétaro, Qro., México.

Tel. 442 229 0804 ó 55 57 29 60 00 ext.81029, Fax 442 229 0769, jhuertar@ipn.mx

Resumen.

Dando a conocer avances en domótica relacionados la gestión de recursos y la sustitución parcial de fuentes de energía, el presente trabajo reúne resultados de dos proyectos complementarios, que se enfocan a resolver los problemas generados por el uso de combustibles fósiles y el agotamiento de agua. A este contexto, cada proyecto propone sistemas inteligentes que incluyen herramientas de Electrónica, Informática y otras ramas de la ciencia para cubrir distintos objetivos, que en realidad comparten un solo motivo: mejorar la calidad de vida de las personas. Palabras clave: ahorro de agua, domótica, energías renovables, gestión energética, sistemas automáticos.

Abstract.

Presenting advances in domotics related with the management of resources and the partial substitution of power sources, the present work reunites results of two complementary projects that focus to solve the problems generated by the fossil fuel use and the water exhaustion. To this context, each project proposes intelligent systems that include tools of Electronics, Computer science and other branches of science to cover different objectives, which share a single reason: to improve the quality of life of the people. Keywords: automatic systems, domotics, management of resources, renewable energies, water saving. Introducción. Los combustibles fósiles (hidrocarburos y carbón) son la principal fuente de energía alrededor del mundo en consecuencia de su menor costo y mayores eficiencias en su transformación [1]. Colocándolos como fuente primaria para la mayoría de actividades

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humanas actuales como la industria, el hogar, la transportación, etc. Sin embargo el uso de éstos tiene consecuencias negativas en el ambiente por la emisión de “gases invernadero” a causa de su combustión, lo que afecta el ciclo natural del clima en el planeta [1]. Sumado a lo anterior, tanto los hidrocarburos como el carbón no se pueden renovar al mismo tiempo que se usan, por lo que su explotación está marcada a un límite. Dando como resultado que, al día de hoy, su explotación comience a marcar puntos críticos negativos que condicionan el panorama energético. Teniendo como punto de partida la problemática ya presentada, tanto la industria como la ciencia han tomado cartas en el asunto hace un par de décadas principalmente, buscando alternativas que tengan bajo impacto ecológico y sean perdurables. Sin embargo, los resultados no han sido tajantemente relevantes y la sustitución de combustibles fósiles no es una realidad tangible a gran escala. Tratando de aportar ideas al respecto, el presente trabajo expone resultados de desarrollo tecnológico relacionados con el uso de energías alternativas renovables y la aplicación de sistemas electrónicos e informáticos para la gestión de recursos que tienen como objetivo disminuir la gravedad del problema, reduciendo recursos en el lugar más común para todas las personas: su hogar. Tales resultados emergieron de la investigación, experimentación e implementación de avances tecnológicos dirigidos a la domótica, que es la rama de la ciencia moderna que está dedicada a 3 aspectos de la vivienda: confort, seguridad y gestión energética. Cabe mencionar que los métodos y resultados presentados, se desarrollaron en convenios entre el ITESM y el CICATA de Querétaro, así como en proyectos promovidos separadamente por cada una de las instituciones. Por lo que el presente trabajo reúne datos y avances de los proyectos IB System del ITESM y Edificación Inteligente como convenio. En los cuales se proponen soluciones que entre sí se complementan; demostrando la viabilidad de soluciones con la tecnología actual. Desarrollo experimental. I. IB System. Tecnología implicada. Dentro del proyecto IB System, los objetivos se dirigieron hacia un sistema combinatorio entre electrónica y software para controlar el uso de recursos dentro de una edificación mediante sensores, actuadores, comunicación inalámbrica y aplicaciones informáticas para los usuarios. La más importante tecnología involucrada en el diseño del sistema corresponde a lo que Texas Instruments Company refiere como sistemas en chip. Los cuales conjuntan distintos subsistemas dentro un solo chip electrónico de bajo consumo y costo.

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Teniendo como ventaja que el diseño de nuevas aplicaciones se simplifique y sea accesible financieramente.

Figura 1. Características de los chips CC2510 y CC1110 [2].

Como una de las problemáticas a resolver en IB System corresponde a la portabilidad y fácil instalación del sistema en cualquier edificio; se utilizaron chips bajo la tecnología ya mencionada, para efectuar la comunicación entre el usuario y los subsistemas de gestión de recursos sin la necesidad de equipo extra o del incremento de presupuesto por cableado. Dando como resultado la integración de la familia de chips CC251x/CC111x de TI (véase figura 1), que combinan un microcontrolador basado en el legendario 8051, memoria flash como banco de programación y tanto software como hardware para comunicaciones inalámbricas por medio de radiofrecuencia. Además de contemplar la portabilidad del sistema, otro aspecto relevante que se cubrió con los chips fue que parte de la familia CC251x/CC111x incluye una versión que transmite o recibe datos por medio de USB, lo que facilita la conexión a computadores para aplicaciones como monitoreo, manipulación de actuadores, entre otras. Asimismo, este tipo de tecnología permitió al equipo de trabajo efectuar el diseño del sistema, de manera eficaz y sencilla debido a que está pensada para que el usuario no tenga cuellos de botella relacionados con la comunicación inalámbrica o la transmisión de datos por USB a una computadora, lo que se traduce en menor inversión de tiempo y dinero para los diseñadores.

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Figura 2. Idea tecnológica de la familia CC251x/CC111x [3].

Para desarrollar el sistema a partir de los chips, fue necesario adquirir el kit de desarrollo del fabricante (véase figura 3) que permite programar los módulos CC251x/CC111x, desarrollar algunas aplicaciones y realizar pruebas de la comunicación inalámbrica. Paralelamente a la adquisición del hardware, se recolectó documentación y software para diseñar la sección de comunicación y toma de datos. Que en resumen, fue muy accesible y sin ningún costo debido a que se encuentran disponibles por Internet en la página web de TI.

Figura 3. Kit de desarrollo para CC251x/CC111x [3]. Sistema. Al resolver la problemática de la instalación por medio de comunicación inalámbrica, así como la comunicación entre el sistema y una computadora para que el usuario conozca el estado de sus recursos. El siguiente pasó consistió en delimitar, aún más, el alcance del proyecto y en diseñarlo a partir de las prestaciones de los chips. De esta manera se concluyó, que el sistema se propondría disminuir el uso de agua y luz para una edificación, logrando el ahorro de ambos y evitando el desperdicio de recursos tanto económicos como ambientales.

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Mencionado lo anterior, el trabajo de investigación, diseño e implementación del sistema derivó en:

Figura 4. Diseño estructural de IB System.

Este sistema no sólo contiene como parte medular las funciones de los chips CC2511 y CC2510 sino que también contempla 3 sensores que dan a conocer el estado de los recursos y son capaces de actuar en el uso de los mismos, por medio de la automatización. Asimismo está implícita una interfaz gráfica diseñada bajo el ambiente de LABVIEW (de National Instuments) que es la sección del sistema donde el usuario conoce el estado de los recursos. Es importante mencionar que la razón por la cual se utilizan el CC2511 y el CC2510 se debe únicamente a que fueron los módulos de la familia CC251x/CC111x que se consiguieron con mayor prontitud por parte del equipo de trabajo. Todo el trabajo desarrollado en IB System es posible realizarlo en CC1111 y CC1110; inclusive en otras familias de TI u otros fabricantes con tecnologías similares. La única condicionante al respecto del sistema es que debe contener la comunicación de datos por USB (como CC2511/CC1111) y los módulos para la conexión de sensores (como CC2510/CC1110). Debido a que la comunicación de datos a través de todo el sistema se realiza de manera serial, lo que permite incluir casi cualquier tecnología que cumpla con el estándar. Además que la interfaz gráfica está diseñada a partir de la recepción y transmisión serial de datos. En relación a la gestión energética, se idearon e implementaron los esquemas para luz y agua mostrados en la figura 5. Donde es fácil observar que los bloques necesarios para automatizar y conocer el estado de cada recurso son independientes en gran parte por el tipo de sensores que se incluyeron en el diseño.

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Figura 5. Esquema de diseño para gestionar el uso de luz y agua.

La gestión de energía/recursos ocurre paralelamente por 3 subsistemas, nominados como: sensor para lámpara, sensor de presencia y sensor de agua. Cada uno de ellos cuenta con conexión física al CC2510 utilizado en el desarrollo experimental. Asimismo, cuentan con sensores automáticos que utilizan las ventajas de la óptica en longitudes de onda infrarrojas y de luz visible para determinar el estado en que se encuentra el uso de luz o agua, dependiendo el caso. La idea del sistema IB System se implementó y desarrolló para un lugar de continuo acceso dentro de una edificación como son los servicios sanitarios. Por ello, el diseño se realizó para una sola habitación con tal propósito. Esto permitió conocer cuáles son los factores de uso y desperdicio de energía en un lugar como ese para diseñar los gestores de la manera más eficiente y confiable. Fue así como se definió que la luz es un recurso capaz de ahorrarse mediante dos subsistemas: el sensor para lámpara (para conocer fallas en la iluminación) y el sensor de presencia (para activar y desactivar la iluminación). En cuanto al agua, se definió que el recurso se debe de automatizar para evitar el desperdició del mismo en lavabos o sanitarios, por lo que el subsistema de sensor de agua se encarga de controlar el flujo del líquido (por medio de una electroválvula).

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Figura 6. Circuitos electrónicos: a) fuente 5V, b) sensor y actuador automático de agua, c) sensor

de lámpara, d) sensor PIR de presencia, e) adecua miento a 3.3V y f) electroválvula de agua. En resumen, la luz de la habitación se activa mediante un sensor PIR de presencia que utiliza luz infrarroja para detectar la entrada y salida de personas en la habitación; al momento que se activa éste, se enciende la iluminación, la cual también es monitoreada (mediante la emisión de fotones de luz) para determinar su correcto funcionamiento. Para el agua, simplemente se tiene la circuitería necesaria para activar el flujo cuando el usuario de los servicios sanitarios acerca su mano a las salidas de agua. Al igual que el sensor de presencia de la luz, éste funciona con un sensor infrarrojo. En la figura 6 se muestran los circuitos utilizados para esta gestión de recursos. De este modo, el sistema cubre sus objetivos de limitar el uso de luz y agua, sin embargo para incrementar sus aplicaciones reales, se toma el estado de cada subsistema para conocer cuando el agua o la luz son desperdiciadas. Y es cuando toma mayor importancia la necesidad de conectar los sensores hacia una computadora que centraliza la información generada. Con los chips CC2511 y CC2510, dicha conexión se resuelve fácilmente, ya que permite transmitir la información y ser mostrada para que el usuario, ya sea un jefe de mantenimiento o padre de familia, pueda conocer como se consume agua y luz en su edificio. Para lograr tal monitoreo de consumo, se tomó la ventaja de la programación en LABVIEW que junto con las características del CC2511 permite tomar datos continuamente de los sensores para mostrarlos en pantalla.

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Figura 7. Interfaz gráfica diseñada para el usuario. Debido a que la manera más sencilla para adquirir datos con la tecnología implicada, resulto ser de manera serial, la programación tanto de los microcontroladores como de la interfaz gráfica se ideó con el estándar serial. Lo que estableció una cierta configuración serial (115200, 8 bits, 1 bit de parada y no control de flujo) para los chips y para su manejo en LABVIEW.

Figura 8. Interfaz gráfica trabajando de acuerdo a lo que recibe de los sensores.

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De esta manera, es posible monitorear el uso de recursos en tiempo real. Dando como posibilidad la captura de fugas de agua y fallas de iluminación. Ya que la interfaz grafica se diseño para contabilizar el uso y emitir alarmas pertinentes. En la figura 8, se muestra como opera dicha interfaz. Que básicamente está en continua comunicación con los sensores para tomar muestras, procesar la información y desplegar puntos críticos. Específicamente par el agua, la interfaz es capaz de contabilizar el tiempo que se utiliza el vital líquido, de manera que al llegar a un límite de 180 segundos se considera como fuga. En cuanto, a la luz se evalúa la situación de los sensores relacionados y se determina alguna falla. II. Edificación Inteligente. Consideraciones iníciales. A partir de circuitos electrónicos, plataformas de programación, base de datos y otros avances mencionados en el artículo “Red de corriente eléctrica directa generada por fuentes de energía renovables” de la revista Tecnolog@ del año 2007 [4], se continuó con avances relacionados a dicho proyecto durante el período de trabajo 2008; bajo los objetivos del proyecto Edificación Inteligente del CICATA-Qro. Un aspecto primordial de este proyecto se refiere a una de las más importantes áreas de la domótica: la gestión de energía [5]. Por lo que el sistema de DC se basó en:

• Racionalización o sustitución de cargas eléctricas. • Sustitución parcial de fuentes de energía.

Así que desde un principio, se idearon formas para cubrir ambos puntos al máximo, además que se tomaron en cuenta diseños sugeridos por trabajos previos, fabricantes y proveedores. El resultado de la investigación derivó en los siguientes subsistemas o bloques para el sistema completo:

• Generación eléctrica híbrida (aerogenerador y panel solar). • Almacenamiento de energía (batería fotovoltaica). • Subsistema de sensores (voltaje y corriente de la generación eléctrica, así como

luminosidad y temperatura del ambiente). • Adquisición y transmisión de datos dentro de una LAN. • Almacenamiento y visualización de datos (monitoreo).

Al conjuntar estos subsistemas, se logró el diseño del sistema a gran escala con los requerimientos planteados. En la figura siguiente se muestra la estructura del sistema de generación eléctrica que actualmente está instalado en el CICATA.

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Figura 9. Sistema híbrido de generación eléctrica para el proyecto Edificación Inteligente.

Al contar con el diseño y con avances del periodo anterior, se prosiguió con la instalación del aerogenerador, el panel solar, el cableado necesario y otras acciones para obtener energía en DC de manera controlada y eficiente. Los parámetros, tanto del aerogenerador como el panel solar, se consideraron de valores comercialmente disponibles para aplicaciones como las que se desean para este proyecto. Por lo que ambos trabajan para generar voltaje entre 12/24VDC y una corriente entre 4.5A y 30A, dependiendo de las condiciones ambientales, la incidencia de luz solar y la velocidad de los vientos. Panorama del sistema de generación energía en DC. Considerando el diagrama del sistema (figura 9), se observa que los generadores de energía alternativa se conectan a la batería para almacenar flujo eléctrico progresivamente y así, exista un suministro continuo en la red de DC sin importar la falta momentánea de sol o viento. Sin embargo, ambas fuentes de energía necesitan controladores para regular el flujo a la batería, dependiendo del estado de ésta. Es decir, si la batería está completamente cargada los controladores cortaran el subministro de energía, de lo contrario seguirán alimentando la batería. Por lo que una parte fundamental del sistema es el control en las fuentes de energía.

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Posteriormente a las etapas de generación, se encuentra el subsistema que corresponde a los sensores de voltaje, corriente, temperatura e iluminación. El objetivo de este bloque es tomar datos como primera fase de monitoreo del sistema. Estos datos son transmitidos por una tarjeta Ethernet hecha con tecnología de PIC, que al adquirir señales de los sensores, transmite constantemente al puerto 13000 de la dirección IP fija 176.16.255.245. Físicamente, la tarjeta Ethernet está conectada con un cable que enlaza el sistema con la red local del CICATA; específicamente al switch principal de los servidores. De esta manera se distribuyen los datos como información binaria de internet a una computadora con la dirección IP fija. En la computadora se va almacenando la información en una base de datos para visualizarla y registrarla. Con esta estructura de manejo, se prevé darle autonomía al sistema para que en un futuro tome sus propias decisiones y manipule sus propias fallas o proveerle de nuevos objetivos. Sin embargo por ahora se busca conocer el estado del sistema y evaluarlo para mejorar sus características. Instalación de los generadores de energía alternativa. El generador eólico y el panel solar se instalaron en la azotea del CICATA (figura 10), evitando que obstáculos comunes (como paredes, estructuras, etc.) disminuyan tanto la luz solar incidente como el viento. Dado que a mayor altura, se encuentran menos factores negativos y se logra un rendimiento mayor de los equipos.

Figura 10. Edificio del CICATA Querétaro (lugar del desarrollo experimental).

Se instaló una estructura metálica por la necesidad de preservar las características del edificio, debido al manejo del equipo que podría dañarlo. Además que la estructura permite aumentar la altura sobre otros obstáculos mayores (como edificios, arboles, etc.) que igualmente determinan la capacidad de los generadores. Dicha estructura se muestra a continuación:

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Figura 11. Vista en la azotea de la estructura. Cuyas medidas son las siguientes:

Figura 12. Medidas de la estructura utilizada como base. Aerogenerador. Debido a sugerencias del fabricante (véase la figura 13), fue necesario incluir más altura para alcanzar una mayor eficiencia del aerogenerador.

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Figura 13. Comparativo de alturas para rendimiento del aerogenerador.

Para ello, se instaló una torre de 12 m que soporta al generador eólico. Fue necesario que los soportes se colocaran a un radio aproximado de un tercio de su altura. Esta característica determinó las medidas de la estructura base. Dando como resultado que la torre quedara al centro de la estructura, siendo ensamblada por 4 tramos de torreo TZ30 suficientes para soportar un peso aproximado de 100 kg. Proceso de instalación:

Figura 14. Proceso de ensamblado de la torre. Como último paso de la instalación, se fijó el aerogenerador a un tubo, para que éste asegure el dispositivo a la parte superior de la torre. Una vez asegurado, se colocaron las aspas y la tapa, mientras se hacían estas maniobras, los cables de suministro del generador se conectaron en corto circuito para evitar daños al equipo.

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Figura 15.Preparando el generador eólico para su instalación. Finalmente el resultado fue:

Figura 16. Instalación de aerogenerador, torre y soportes.

Instalación Panel solar. Para tener un óptimo funcionamiento, el panel debe estar orientado hacia el sur. Y considerar que se encuentre libre de cualquier sombra el mayor parte del tiempo posible. Aprovechando el trabajo realizado para el aerogenerador, se utilizó la estructura metálica para colocar el panel en posición. Debido a las dimensiones del panel solar, se integró una adaptación, como se muestra en la figura 12.

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Figura 17. Adaptación de base para instalar el panel solar. Asimismo se colocaron soportes para que el panel permanezca fijo con la altura necesaria para capturar luz solar la mayor parte del día. Algunas imágenes de la instalación del panel se muestran:

Figura 18. Proceso de instalación del panel solar. Instalación de batería y circuitos de medición. Siguiendo con el diseño del sistema, las etapas posteriores a los generadores corresponden a la batería (almacenamiento de energía), controladores, subsistema de monitoreo, transferencia de datos y conexión a la red local para distribución de la información a la computadora correspondiente. Por lo que partiendo de tal esquema y de las características del proyecto, se decidió incluir plataformas metálicas para albergar la batería, los sensores, la tarjeta Ethernet, circuitería adicional y conexiones entre subsistemas. Para ello se idearon y fabricaron bases metálicas que soporten dichos bloques de operación. En la figura 19 se muestra como se incluyeron las plataformas metálicas.

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Figura 19. Ajuste de la base de batería y circuitos. Finalmente la batería quedó ajustada y conectada como se muestra:

Figura 20. Instalación de la batería. En cuanto a la tarjeta Ethernet, los sensores y demás circuitos prescindibles para el monitoreo, se colocaron protecciones metálicas (figura 21) sobre las plataformas ya instaladas, con el objetivo de cubrir conexiones y circuitos de agentes externos que modifiquen su operación.

Figura 21. Protecciones. Específicamente, la instalación de los sensores (de voltaje y corriente) y el monitoreo quedó dentro de un una caja de plástico protectora y aislante que los mantiene separados de todos los demás bloques del sistema, como se muestra en la siguiente figura.

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Figura 22. Instalación de sensores y monitoreo.

Los sensores ambientales (de luminosidad y temperatura) quedaron bajo una protección metálica que se le instaló posteriormente a la batería para cubrirla del ambiente. Como se muestra a continuación:

Figura 23. Protección metálica a la batería e instalación de sensores ambientales.

De esta manera se logró implementar un sistema de generación eléctrica autónomo que puede proveer de 210W de potencia en promedio. Resultados. Aunque los objetivos de IB System y Edificación Inteligente son diferentes en teoría, los resultados alcanzados por ambos abren la posibilidad de aplicar sistemas tecnológicos en la vida diaria de las personas. Y así, resolver la problemática generada por el uso de los combustibles fósiles y la falta de recursos vitales como el agua. Además de lo anterior, es importante resaltar que ambos sistemas se pueden complementar o unificar para conjuntar un sistema de mucho mayor impacto, totalmente autónomo que represente una alternativa en cuanto a gestión y ahorro de recursos ambientales y económicos. Tomando en cuenta que la racionalización adecuada de éstos son temas cruciales para la supervivencia de las grandes urbes.

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Sustancialmente, las ventajas encontradas a partir de estos proyectos son:

• Disminución de consumo en agua y luz para viviendas, oficinas o escuelas. Abriendo la posibilidad de un 41% de ahorro (en promedio).

• Utilización de tecnología avanzada de bajo consumo y costo para solucionar problemas energéticos.

• Generación de energía eficiente para la autonomía energética de edificaciones. • Reactivación y creación de sectores industriales. • Reducción de contaminación por combustibles no renovables.

Lo que comprueba que el impacto final de este tipo de proyectos no sólo tiene una envergadura científica sino que cuenta con beneficios sociales y económicos importantes. Discusión. Más allá de los retos propuestos por cada uno de los proyectos mencionados en este trabajo, se debe de comprender que los resultados obtenidos, ya sea de la gestión de recursos o la sustitución parcial de fuentes de energía, comprenden un esfuerzo por prever futuras necesidades en las actividades cotidianas de las sociedades actuales. Asimismo, representan un puente entre avances tecnológicos y soluciones integrales para problemas reales que actualmente se tienen. Ya que dan pauta para seguir innovando al respecto de estos temas y evitar consecuencias negativas de la sobreexplotación de recursos ambientales y de combustibles contaminantes que afectan al clima.

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Agradecimientos. Se agrade la participación de estudiantes, profesores e investigadores de los departamentos de Metrología e Informática del CICATA, así como del departamento de Mecatrónica y al Centro de Competitividad Internacional del ITESM de la ciudad de Querétaro por sus distintas aportaciones en etapas de investigación, diseño, implementación y desarrollo relacionadas con ambos proyectos. Referencias. [1] Secretaría de Energía. “Planeación energética y desarrollo energético”. http://www.sener.gob.mx/webSener/portal/index.jsp?id=46. México. [2] 3D NEWS. “Wireless technology”. http://www.3dnews.ru/_imgdata/img/2007/10/02/61430.jpg. Rusia. [3] Texas Instruments. “CC251x/CC111x”. http://www.ti.com/corp/docs/landing/cc1111/index.htm. EUA. [4] Tecnolog@ IPN. Vol 1. Número 1. “Red de corriente eléctrica directa generada por fuentes de energía renovables”. México. [5] Universidad Autónoma de Tamaulipas. “Domótica” http://www.ditae.uat.edu.mx/index.php?view=article&id=495%3Aque-es- domotica&option=com_content&Itemid=50. México.