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Mejorar la seguridad de los electrodomésticos

¿Qué son los electrodomésticos?

Muchos electrodomésticos facilitan las actividades diarias o periódicas en los hogares y ayudan a los usuarios a realizarlas de forma sistemática y con el mínimo esfuerzo. Cuando funcionan correctamente son magníficos pero, si se produce un fallo, algunos electrodomésticos pueden ser bastante inseguros y provocar problemas mayores como incendios. Con el objetivo de incorporar la seguridad en el diseño de los electrodomésticos, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) creó la norma IEC 60730 Clase B para seguridad funcional, que contempla el diseño mecánico y eléctrico también aprobado por Underwriters Laboratories. En este sentido, y con el fin de ofrecer más seguridad a los usuarios de cocinas, encimeras, lavadoras y secadoras, entre otros, se ha diseñado un nuevo circuito integrado para pantalla táctil que incorpora seguridad funcional y está certificado para esta norma.

Prevenir problemas graves en electrodomésticos

La NFPA (National Fire Prevention Association), una organización internacional sin ánimo de lucro, señala en su informe NFPA Research que cocinas y encimeras representaron el 62% de los incendios comunicados al cocinar. De hecho, el informe detalle que “las distracciones al cocinar fueron la causa principal de incendios y heridos en las cocinas”.

Además, según NFPA Research, cocinas y encimeras son la principal causa (46%) de las muertes provocadas por los equipos de cocina entre 2013 y 2017. Otra fuente, la USFA (U.S. Fire Administration), que forma parte de la FEMA (Federal Emergency Management Agency), que a su vez pertenece al Departamento de Seguridad Nacional de EE.UU., informa que desde 2018, y tan solo en ese país, cocinar sigue siendo el origen más importante de incendios en el ámbito residencial (ver Figura 1).

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Figura 1. Cocinar fue la causa principal de los incendios en edificios residenciales que provocaron
heridos en EE.UU. durante 2018. Fuente: USFA.

Desde la introducción del sistema nacional de información de incendios (National Fire Incident Reporting System, NFIRS) de la USFA en 1999 se ha venido registrando un crecimiento gradual de los incendios en las cocinas pese a los notables avances técnicos realizados en otras muchas áreas. Está claro, por tanto, que los fabricantes de electrodomésticos deberían marcarse como objetivo abordar los aspectos relacionados con la seguridad de cocinas y encimeras para reducir estas cifras (ver recuadro).

Normas de seguridad funcional en electrodomésticos

Como reconocimiento a la necesidad de incorporar seguridad en los electrodomésticos, la IEC desarrolló la norma IEC 60730-1, que se aplica a los controles eléctricos automáticos “para su uso dentro, sobre o junto con equipos para el hogar y con un uso similar”. Si bien fue introducida en 1986, el documento ha sido actualizado y modificado periódicamente; la última vez fue en abril de 2020. Underwriters Laboratories (UL) también ha puesto su sello para la homologación de esta norma.

La razón que justifica la seguridad funcional es que todos los sistemas electrónicos y mecánicos acabarán fallando. Dado que los fallos son inevitables, lo mejor que se puede hacer es garantizar que cuando algo falle, lo haga de forma segura. Se han identificado tres tipos de seguridad en IEC/UL 60730: Clase A para los productos para los cuales la seguridad no constituye un aspecto fundamental y Clase C para aquellos en los que se intentan evitar peligros.

Entre ambas clases se encuentra IEC/UL 60730 Clase B o simplemente la Clase B, que incluye a los principales electrodomésticos, como cocinas y encimeras, lavadoras, secadoras, lavavajillas, frigoríficos y congeladores. La Clase B abarca las funciones de software y control destinadas a evitar peligros si se produce un fallo en el electrodoméstico. Se aplica a la protección térmica, el bloqueo automático de puertas y otras funciones que detienen el funcionamiento de los electrodomésticos para cocinar, secar y lavar la ropa las condiciones son inseguras. La certificación de Clase C ahora es obligatoria tanto en EE.UU. como en Europa para todos los electrodomésticos de cocina con función de autolimpieza y en electrodomésticos para secar y lavar la ropa en los controles relacionados con los mecanismos de bloqueo automático de la puerta.

Enfoque actual de la seguridad en electrodomésticos

Las soluciones que van venido abordando la preocupación por la seguridad en los electrodomésticos de cocina y lavado se han basado en un microcontrolador conectado a botones, controles deslizantes y mandos giratorios de tipo mecánico o capacitivo. El microcontrolador contaba con una biblioteca de software para supervisor la seguridad y el estado de los botones táctiles capacitivos. Para cumplir estas normas, los electrodomésticos incorporan actualmente pantallas táctiles con un botón táctil capacitivo por separado y controlado por un microcontrolador también separado que incorpora una biblioteca se seguridad.

Algunos botones que forman parte de la interfaz de usuario son especialmente importantes para permitir el funcionamiento seguro del electrodoméstico y prevenir peligros como incendios. Por ejemplo, se exige que los electrodomésticos para cocinar con función de autolimpieza comercializados en América o Europa activen el modo de autolimpieza tocando dos veces y lo desactiven tocando una vez. Es importante destacar que los hornos con autolimpieza alcanzan temperaturas peligrosamente elevadas de 500oC. Los objetos almacenados en el horno se pueden incendiar en este modo, por lo que IEC/UL 60730 Clase B exige que los electrodomésticos con esta función lo activen tocando dos veces y lo desactiven tocando una vez. Este requisito se basa en que al tocar por segunda vez para activar el modo de autolimpieza se incentiva al usuario a comprobar por segunda vez el inicio del modo de autolimpieza. Al tocar una sola vez, por ejemplo si el usuario huele a humo, se detiene o cancela este modo. El funcionamiento seguro del botón de parada es primordial para la seguridad del usuario. Como resultado de ello, el botón debe funcionar de manera fiable y precisa en cualquier situación. Los incendios peligrosos se pueden evitar si se ayuda a detener el modo de autolimpieza lo más rápido posible sin necesidad de tocar varias veces.

Supervisar el periférico analógico es bastante sencillo para el microcontrolador. El periférico supervisa a su vez unos pocos botones que están multiplexados y controlar una serie de botones. Si bien esta funcionalidad está integrada en el microcontrolador, el fabricante del electrodoméstico tiene que desarrollar y homologar la función de seguridad y es el responsable de llevarlo a cabo.

Un nuevo enfoque de la seguridad en electrodomésticos

Aunque la seguridad funcional se ha venido implementando en los electrodomésticos desde hace muchos años, ahora existe la posibilidad de cumplir este requisito aplicando principios clásicos de seguridad a una interfaz con una pantalla táctil moderna. La incorporación y modernización de las pantallas táctiles hacen que sea una manera ideal de diseñar con la certificación de Clase B.

La familia de controladores ATMXT336UD-MAUHA1 maXTouch, con sus exclusivas funciones de seguridad, acaba con la necesidad de un botón separado, por lo que el apagado ahora se puede efectuar pulsando sobre cualquier punto de la pantalla. Si bien la eliminación del botón y reducir el coste y el mantenimiento de la funcionalidad requerida deberían ser un incentivo suficiente para los fabricantes de electrodomésticos, la interfaz simplificada también debería resultar más atractiva para los usuarios. Su enfoque integrado es sencillo y más intuitivo ya que es más práctico ya que acaba con la confusión y el coste de los botones separados. Y quizás aún más importante, la función de apagado se puede cambiar al idioma del usuario (ver Figura 2).

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Figura 2. Al poner la función de parada de emergencia en la pantalla táctil, el fabricante del electrodoméstico puede permitir que el usuario seleccione su idioma.

Figura 2. Al poner la función de parada de emergencia en la pantalla táctil, el fabricante del electrodoméstico puede permitir que el usuario seleccione su idioma.

El detector de humo fue el primer elemento de seguridad doméstica hace décadas. A diferencia del detector de humo, la pantalla táctil para seguridad funcional de Clase B puede tanto alertar como pasar a la acción y, para ello, se pone en funcionamiento antes de detectar humo o algo en el entorno sin necesidad de interacción humana.

Veamos un ejemplo de seguridad que una pantalla táctil de Clase B puede resolver por sí sola. Si una olla pesada cae accidentalmente sobre una placa de inducción caliente, en muchos casos el grueso vidrio protegería las zonas de cocción, pero el fino sensor táctil de indio-estaño (ITO) situado debajo es más frágil y se podría romper. Esta rotura podría provocar que la pantalla táctil dejara de funcionar en una parte o, aún peor, que fallara todo el sensor.

El controlador de Clase B supervisa, automáticamente y en tiempo real, el estado del sensor táctil. En un segundo plano, cuando el sensor no está controlando los posibles toques, el circuito integrado comprueba el propio sensor táctil en busca de posibles fallos. En cuanto detecta un fallo, como por ejemplo una grieta en el sector de la pantalla táctil, el controlador avisa a la CPU (central processing unit) para que apague las zonas de cocción de manera automática. Todo esto se realiza sin necesidad de intervención humana, por lo que funciona a prueba de fallos.

Si bien este tipo de funcionalidad era factible con anterioridad, el sistema tenía que activar o interrogar al circuito integrado de la pantalla táctil para recibir una respuesta a la entrada. Ahora el circuito integrado desempeña esta función por sí mismo y envía mensajes al sistema cuando se produce un problema.

Un mensaje especial en bus I2C o una patilla GPIO (general-purpose IO) en el circuito integrado conectadas a una patilla de interrupción en la CPU del sistema emiten una alerta automática para iniciar un apagado. Las funciones de seguridad incorporadas y de actuación automática ofrecen la manera de prevenir algunas de las condiciones que podrían provocar un incendio en la cocina (ver Figura 3).

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Figura 3. En una aplicación típica de un electrodoméstico, el controlador de pantalla táctil de Clase B se conecta fácilmente a la CPU del sistema.

Figura 3. En una aplicación típica de un electrodoméstico, el controlador de pantalla táctil de Clase B se conecta fácilmente a la CPU del sistema.

Para obtener la certificación de Clase B es preciso que el circuito integrado de la pantalla táctil supere varias pruebas de seguridad funcional. Una de las principales pruebas es la de memoria. El circuito integrado de la pantalla táctil tiene una pequeña cantidad de memoria RAM y Flash, suficiente para desempeñar las funciones requeridas en la aplicación. Al tratarse de un entorno embebido, el sistema cerrado no ejecuta código del cliente. Para obtener la certificación de Clase B existen reglas que determinan con qué frecuencia se han de efectuar las pruebas de memoria. Por ejemplo, una serie de unos y ceros que se desplazan en segundo plano como patrón de prueba para comprobar posibles fallos en la RAM del circuito integrado (ver Figura 4).

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Figura 4. Prueba de unos y ceros que se desplazan para comprobar una memoria de 8 bit y verificar cada bit.

Figura 4. Prueba de unos y ceros que se desplazan para comprobar una memoria de 8 bit y verificar cada bit.

El proceso empieza comprobando la RAM libre y verificando que es buena. Dado que la mayor parte de la pequeña cantidad de memoria está ocupada por datos, a continuación se traslada una parte del código de la aplicación a la parte comprobada para liberar otra parte y comprobarla. El proceso continúa hasta que se ha comprobado toda la RAM. Esta revisión del código de aplicación mientras se está ejecutando permite comprobar toda la memoria de manera secuencial.

Gestionar esta prueba ya constituye un proceso razonablemente complejo que realiza el circuito integrado de Clase B, que detecta varios dedos al mismo tiempo sobre la pantalla táctil en tiempo real. El circuito integrado, que funciona a más de 60 Hz, informa sobre la detección al sistema mientras comprueba la RAM y el sensor en segundo plano. También se efectúan otras comprobaciones similares en las células de memoria utilizadas para almacenar el código de programa en flash no volátil.

Es necesario comprobar los registros de la CPU en el controlador para asegurar que funcionan correctamente. Esto se lleva a cabo leyendo y guardando el valor de la corriente del registro de la CPU y almacenando los datos en otro registro que no esté siendo comprobado. Luego el registro de la CPU bascula para establecer el nuevo ajuste. Después de ello se restablecen los valores iniciales. De este modo se asegura que los registros de la CPU se puedan ajustar y reajustar en los valores adecuados.

También se comprueba que el reloj interno funcione correctamente. El interior del circuito integrado hay varias distribuciones de la señal de reloj en árbol y la comprobación confirma su división y el buen funcionamiento. Esta lista de pruebas no es exhaustiva pero da una idea aproximada de los tipos de pruebas realizadas por el circuito integrado.

Otro aspecto relacionado con la seguridad del nuevo circuito integrado es que el bus I2C ha sido actualizado para las comunicaciones entre la CPU del sistema y el controlador táctil. Las comunicaciones I2C en el controlador táctil aplican dos mecanismos para garantizar la integridad de cualquier dato enviado hacia y desde el dispositivo. El primer mecanismo recurre a un número de secuencia. Además, y por primera vez, se ha añadido una comprobación de redundancia cíclica (cyclic redundancy check, CRC) al bus para saber si hay datos corruptos (un error de bit). Dado que un electrodoméstico puede ser un entorno con mucho ruido eléctrico, de este modo se garantiza que las coordenadas que recibe el sistema son fiables y no han sido manipuladas durante la transmisión. Además, dado que ha añadido un número de secuencia a los mensajes en I2C, cada vez que se envían las coordenadas al sistema, este puede determinar si se han perdido uno o varios paquetes de datos y toma las medidas apropiadas. Gracias a su conexión a Internet, el sistema podría incluso programarse para notificar un problema al teléfono móvil o el reloj inteligente del usuario aunque no esté en casa.

Como se ha señalado antes, las pruebas de seguridad de Clase B añaden inteligencia al controlador táctil para que las funciones diagnóstico automático y del sensor supervisen constantemente la integridad del subsistema táctil. Estas funciones de diagnóstico inteligente permiten enviar una señal configurable para indicar que sigue “vivo” al sistema, activando para ello una salida GPIO (general-purpose IO).

Una cuestión final sobre la seguridad. Como la seguridad funcional ya está homologada en el chip de seguridad de la pantalla táctil, el proceso de homologación a nivel del sistema del usuario se ve muy simplificado dado que no hay que escribir software adicional en la CPU del sistema para gestionar la seguridad de la pantalla táctil. Esto debería ser suficientemente atractivo para que los fabricantes de electrodomésticos investiguen e implementen esta nueva capacidad.

Seguridad en el cuarto de lavado

El controlador de pantalla táctil de Clase B puede manejar otras funciones de seguridad fuera de la cocina. Por ejemplo, la NFPA establece que los bomberos respondieron a un promedio de unos 15.970 incendios al año ocasionados por secadoras o lavadoras en viviendas. Si bien estos incendios se pueden deber a diversas razones, el diseño orientado a la seguridad debería contribuir a reducir el número total de forma significativa.

En el cuarto de lavado existen requisitos de Clase B para las lavadoras. Los equipos de lavado con motores de alta velocidad, y especialmente las máquinas de carga frontal, tienen un mecanismo de bloqueo para que la puerta no se quede abierta accidentalmente en pleno funcionamiento. El mecanismo de autobloqueo es un dispositivo electromecánico que garantiza que, cuando el aparato está en marcha, se active la función de seguridad. Si el mecanismo de bloqueo es controlado por una pantalla táctil se puede eliminar un botón, microcontrolador o sensor separado.

La anulación del desbloqueo manual de la puerta permite añadir o retirar objetos tras la puesta en marcha de la lavadora o secadora y también ha de cumplir las normas de seguridad. Así lo exige la ley actualmente en EE.UU. y Europa, donde la certificación de Clase B es obligatoria. La nueva alternativa depende en exclusiva de la pantalla táctil y se aplica lavadoras y secadoras debido a su calentamiento. Por otro lado, en las lavadoras de carga frontal el sistema se ha de vaciar antes de abrir la puerta para evitar la salida de agua. Dado que se trata de un aspecto de sus vidas sobre el que pueden ejercer algún control, las personas están cada vez más preocupadas por la seguridad.

Si bien es posible que un determinado país exija la certificación de Clase B para un producto concreto, cuando un fabricante de electrodomésticos cumple dicho requisito podrá vender el producto con esa función/capacidad en otros países y promover la seguridad de la pantalla táctil como una ventaja competitiva. Esto ha demostrado ser muy efectivo en el pasado y permite contar con un modelo global para Europa, América y el resto del mundo, por lo que al fabricante le basta con un solo tipo de electrodoméstico.

Hacia unos electrodomésticos más seguros

A partir de las aportaciones de los principales proveedores de electrodomésticos, el diseño y el desarrollo de controladores de pantallas táctiles de Clase B iniciados por el cliente han exigido varios años de trabajo para pasar del concepto a la realidad. Los comentarios de los clientes han sido tenidos en cuenta durante todo el proceso con el fin de ajustar las capacidades de la Clase B. Si bien se trata de una función que los proveedores desearán ofrecer y que los clientes querrán tener en los electrodomésticos de gama alta, algunos fabricantes ya están evaluando la introducción de la seguridad de Clase B en modelos más básicos ya que los clientes merecen el máximo nivel de seguridad disponible.

Una vez que los fabricantes de electrodomésticos conocen bien esta nueva capacidad y la reducción de costes que aporta, y tras haber certificado uno o varios electrodomésticos para que cumplan la norma de Clase B, es posible que piensen en aplicar la técnica a aparatos/electrodomésticos en los que no sea obligatorio obtener una ventaja en el marketing y la diferenciación de la marca para toda una gama de electrodomésticos y dirigidos a consumidores concienciados por la seguridad. Para que los electrodomésticos se relacionen con las personas de manera segura, el controlador de pantalla táctil de Clase B es una opción segura para hornos, cocinas, lavadoras y secadoras, así como para lavavajillas, frigoríficos, hornos de microondas/convección, e incluso para campanas extractoras.

Acerca del autor

Chad Solomon es un ingeniero técnico que trabaja en la unidad de negocio de interfaces entre personas y máquinas de Microchip Technology. Se dedica sobre todo el desarrollo del negocio en mercados emergentes para las pantallas táctiles, como los electrodomésticos, y gestiona una red global de socios que desarrollan pantallas táctiles basadas en la tecnología táctil de Microchip.