La evolución de la conectividad para automatización de edificios

Los edificios están evolucionando rápidamente a medida que los desarrolladores intentan maximizar sus beneficios, las expectativas de los usuarios cambian y la mitigación del cambio climático se vuelve urgente. Así pues, los sistemas de automatización de edificios se están actualizando para abordar estos aspectos.

Expectativas cambiantes de los edificios

¿Por qué el cambio a los edificios inteligentes? Las grandes inversiones de capital en un proyecto de nueva construcción significan que el espacio resultante tiene que “trabajar” lo más duro posible durante su vida útil para maximizar la rentabilidad. Con la naturaleza rápidamente cambiante del trabajo, el ocio, la manufactura, la logística, el comercio minorista y el cuidado, los edificios deben poder adaptarse a las nuevas circunstancias. La empresa de cotrabajo (coworking) WeWork ha demostrado el principio al adaptar los edificios “antiguos” del centro de la ciudad para crear un espacio de oficina flexible. Ahora la pandemia nos ha enseñado, in extremis, que las salas de exposiciones pueden convertirse en hospitales, los gimnasios, a su vez, en centros de vacunación y nuestros hogares, en nuestros lugares de trabajo.

Los nuevos edificios se deben diseñar de tal forma que garanticen que su espacio físico se pueda adaptar de la manera más veloz y rentable. Tienen que disponer de una infraestructura smart building flexible que se pueda reconfigurar rápidamente para suministrar la energía, la iluminación, la climatización (HVAC), los servicios TI y las redes de datos allí donde se necesiten, sin importar cómo esté configurado el propio edificio.

Los edificios también deben replantearse para minimizar su huella climática. Algo de esto se puede lograr a través de códigos de construcción más estrictos, materiales innovadores y nuevos enfoques: por ejemplo, empleando conectividad inalámbrica en lugar de cableado estructurado para ahorrar materias primas como el cobre. Las estrategias de construcción inteligentes también pueden mitigar uno de los mayores impactos climáticos de los edificios: la forma en que se utilizan. Por ejemplo, la combinación de detección de presencia con control de climatización e iluminación habitación por habitación puede evitar que los espacios de la oficina se calienten, enfríen o iluminen cuando no están ocupados.

Los edificios inteligentes están incorporando amplias medidas de vigilancia y seguridad con el objetivo de dotar de protección ante una gran variedad de amenazas. Estas medidas pueden incluir cámaras de seguridad IP, detectores de presencia y, desde la pandemia, equipos de imagen térmica en las entradas para identificar personas con fiebre. También se están introduciendo sistemas de conteo de personas, habilitados por sensores infrarrojos, para poder contabilizar cuántas personas se encuentran en una habitación a la vez.

Estos avances en la infraestructura técnica pueden ayudar a los sistemas de gestión de edificios inteligente a ajustar los parámetros de climatización en función de los niveles de ocupación. También pueden ofrecer los datos brutos para comprender la dinámica de ocupación de un edificio – útil, por ejemplo, para realizar un seguimiento de las tendencias de los clientes en los espacios comerciales u optimizar la distribución del personal en muchos otros contextos.

La pandemia también nos ha enseñado que los edificios pueden tener un impacto importante en nuestra salud. Los sistemas de climatización se están mejorando para que puedan monitorizar y aumentar la calidad del aire, utilizando sensores para detectar el calor y la humedad, así como comprobar la concentración de gases clave como el oxígeno, el nitrógeno y el dióxido de carbono.

La iluminación es otro aspecto crítico de las estrategias de los edificios inteligente. Un sistema diseñado adecuadamente puede “animar” a los clientes a comprar más en las tiendas, permitir que los trabajadores se concentren durante más tiempo en sus oficinas y ayudar a las personas a disfrutar de su tiempo en los espacios sociales. Una manera de suministrar una iluminación tan funcional es a través de sistemas inteligentes, que se pueden controlar de forma remota para ofrecer una gran variedad de efectos y adaptarse rápidamente a cambios mayores, como la reconfiguración de los diferentes espacios del edificio.

Hay, al menos, dos enfoques a la hora de implementar tales redes de iluminación inteligente: uno da una energía independiente a las luces y luego las conecta al sistema de gestión del edificio a través de una red de malla Bluetooth (mesh) y el otro usa Power-over-Ethernet (PoE) para proporcionar energía y datos de control a cada luz.

En otro ejemplo de cómo la elección de las estrategias de conectividad se está entrelazando con la operación de los edificios, algunos desarrolladores tienen en cuenta el uso de iluminación inteligente para ofrecer enlaces de datos e iluminación funcional.

Li-Fi, habilitado por la modulación de los ledes de iluminación a frecuencias lo suficientemente altas para transportar grandes cantidades de datos valiosos sin causar un parpadeo perceptible, es considerado por algunos como una alternativa a Wi-Fi. Algunos informes también afirman que Li-Fi es más seguro que Wi-Fi en determinados casos de uso.

Estándares de conectividad por cable

Como se espera que los edificios inteligentes integren muy diversos tipos de funcionalidad suelen utilizar estrategias de conectividad heterogéneas traídas desde otras disciplinas. Muchos sistemas de gestión de instalaciones tradicionales emplean conectividad jerárquica, con un bus primario que une los controladores de alto nivel entre ellos y, entonces, los buses secundarios proporcionan conexiones a controladores de menor nivel, dispositivos E/S e interfaces de usuario.

Los dispositivos “se comunican” entre ellos sobre protocolos abiertos como BACnet o LonTalk, en tanto que la conectividad física se consigue de varias maneras, incluyendo fibra óptica, Fieldbus o enlaces Ethernet tradicionales, conexiones serie RS232 y RS485 o redes inalámbricas de bajo ancho de banda y poca potencia.

Los sistemas de gestión de edificios avanzados están migrando hacia el uso de IP como un protocolo unificador para todas las comunicaciones. Posteriormente, la comunicación se suministra de diferentes formas, como fibra óptica para la columna vertebral del edificio, Ethernet tradicional con opciones PoE y opciones inalámbricas, incluyendo Wi-Fi, Li-Fi, Bluetooth, Zigbee e incluso 5G.

Una opción de conectividad emergente es Single Pair Ethernet (SPE), una versión “reducida” de Ethernet tradicional que usa un solo par trenzado para la transmisión de datos y cuenta con conectores miniaturizados. SPE ofrece una alternativa de conectividad más densa, rápida, fácil de instalar y asequible que Ethernet tradicional. SPE se define en la enmienda del estándar IEEE 802.3cg-2019 y especifica una transmisión de 10 Mbit/s a distancias de hasta 1000 metros (10Base-T1L). Las señales para dicho estándar necesitarán una conversión para conectarse a redes 10/100/1000Base-T.

El estándar SPE dispone del respaldo de las especificaciones emergentes de cable, conector y rendimiento de canal. El nuevo conector SPE, definido en IEC 63171-1, se asemeja al conector LC empleado para fibras ópticas y también es conocido como ‘LC de cobre’. También será posible suministrar hasta 50 W sobre SPE, aunque el enfoque utilizado no es compatible con la actual infraestructura PoE. También se está trabajando para definir cómo se debe usar SPE en las instalaciones de cableado estructurado, lo que permitirá desempeñar un papel más importante en la infraestructura de los edificios inteligentes en el futuro.

Conectividad inalámbrica

Los diversos servicios del edificio están introduciendo muchos protocolos diferentes para posibilitar la conectividad inalámbrica en sus instalaciones. Por ejemplo, las capacidades de red mallada de Bluetooth Low Energy facilitan la creación de redes inalámbricas ad hoc entre los sensores de bajo coste instalados en un edificio inteligente. Y las capacidades de baliza de Bluetooth, por su parte, también se pueden utilizar para suministrar servicios de datos altamente localizados a los ocupantes del edificio.

Además, se pueden emplear múltiples tecnologías LAN inalámbricas de baja potencia, como Zigbee, para dotar de mejoras de funcionalidad en el edificio.

Como sucede con la conectividad por cable, aunque sería conveniente ceñirse a un único estándar, en la práctica, los edificios inteligentes probablemente tendrán que implementar varios estándares WAN de baja potencia para soportar el uso de una amplia variedad de funciones como sensores, iluminación y controles locales.

Un estándar clave en lo que respecta a la conectividad inalámbrica en edificios inteligentes será IEEE802.11ax, comúnmente conocido como Wi-Fi 6. Usa las mismas frecuencias y la misma estructura de canal que los estándares Wi-Fi previos, pero con esquemas de modulación más sofisticados para respaldar velocidades de datos superiores sobre la misma cantidad de espectro de radio. Wi-Fi 6 emplea una técnica multipath denominada como MIMO (múltiples entradas y salidas) multiusuario para permitir que cada punto de acceso gestione ocho usuarios simultáneos, el doble que con Wi-Fi 5. Y las técnicas beam–forming ayudarán a extender el alcance de cada router. El respaldo para una técnica llamada “target wake time” hará posible que los routers Wi-Fi 6 “avisen” a los dispositivos cuándo tienen que “despertarse” y cuándo “dormirse”, con el objetivo de minimizar su consumo de energía. Como efecto colateral, disponer de menos dispositivos sondeando el router contribuirá a reducir la interferencia de radio y aumentar su rendimiento total.

Esta combinación de características hará que sea más fácil para los diseñadores de edificios inteligentes proporcionar conectividad de elevado ancho de banda a poblaciones transitorias de múltiples usuarios en ubicaciones concurridas desde menos routers. También hará que la conectividad inalámbrica sea una opción más capaz para la infraestructura semipermanente, como es el caso de las cámaras de seguridad.

En la parte superior de la pila de conectividad inalámbrica, en lo que se refiere a la capacidad y la complejidad, se encuentra el estándar móvil 5G. Se trata de un estándar de comunicaciones móviles ampliamente elaborado que ofrece mayor ancho de banda y menor latencia y dota de soporte para más dispositivos por unidad de área servida que los estándares móviles anteriores. También incluye dos protocolos de comunicaciones de baja energía y velocidad de datos que se encuentran formulados para respaldar dispositivos IoT. La promesa en 5G es que muchas necesidades de conectividad de edificios inteligentes podrían, en teoría, utilizar equipos que funcionen bajo el paraguas de un solo estándar general.

La implementación de 5G en los edificios conlleva la instalación de múltiples repetidores de señal 5G o un sistema de antena distribuida que se vuelve a conectar a una estación base 5G centralizada. Los usuarios tendrán que decidir si desean desplegar una red 5G privada o, simplemente, traen la red de un operador externo al interior. Los problemas de propagación, especialmente con las bandas de onda milimétrica licenciadas para 5G en lugares como Estados Unidos, también harán que resulte importante realizar una planificación de radio adecuada para minimizar la interferencia entre las redes inalámbricas colocadas y maximizar el servicio para cada usuario.

Conclusión

La premisa de los edificios inteligentes es que, con la infraestructura de comunicaciones, detección y actuación adecuada, pasarán de ser lugares útiles para mantenerse alejados de las inclemencias meteorológicas a sofisticadas «máquinas para vivir». Por supuesto, esta visión idealizada sería posible gracias a la tecnología vanguardista y una sola red troncal de conectividad heterogénea.

En realidad, los actuales edificios inteligentes han evolucionado a partir de los edificios no tan inteligentes del pasado, por lo que su funcionalidad y conectividad se implementarán con una combinación de tecnologías nuevas y existentes. Por lo tanto, la planificación de la conectividad en este contexto tendrá mucho más que ver con garantizar una coexistencia pacífica entre múltiples estándares que con elegir el enfoque adecuado para trabajar desde cero.

Este artículo ha sido publicado en la última edición de la revista de AVNET “Focus”. Si tiene cualquier duda acerca de los sensores para la automatización de edificios, por favor, póngase en contacto con nuestro equipo de especialistas técnicos desde la web de AVNET.

Artículo escrito por Martin Keenan, director técnico de AVNET Abacus