Desarrollo de un entorno inteligente en el contexto del hogar digital

196 Pages·2014·4.88 MB·Spanish

by  Elena Blanco Martín

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA
Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

PROYECTO FIN DE GRADO

TÍTULO: DESARROLLO DE UN ENTORNO INTELIGENTE EN EL
CONTEXTO DEL HOGAR DIGITAL

AUTOR: Jorge Gironda Domínguez

TITULACIÓN: Grado en Ingeniería Telemática

TUTOR (o Director en su caso): Rubén de Diego Martínez
DEPARTAMENTO: Departamento de Ingeniería y Arquitecturas Telemáticas
VºBº

Miembros del Tribunal Calificador:

PRESIDENTE: Eduardo Barrera López de Turiso

VOCAL: Rubén de Diego Martínez

SECRETARIO: Gregorio Rubio Cifuentes

Fecha de lectura:

Calificación:

El Secretario,

AGRADECIMIENTOS
Me gustaría mostrar mis agradecimientos a un conjunto de personas que han sido
esenciales en la consecución de mis estudios, tanto por su apoyo moral como por el esfuerzo
realizado para que pudiese estudiar esta titulación.
En primer lugar, por supuesto, agradecer a mis padres su gran esfuerzo, sin el cual me
hubiese sido imposible cursar estos estudios. A mi madre, por ser mi principal valedora y un
soporte irremplazable. A mi padre, por su punto de vista pragmático, una gran referencia a la
hora de afrontar nuevos retos. Su confianza durante los buenos, pero sobre todo durante los
malos momentos ha sido un respaldo inestimable, un gesto que nunca olvidaré.
A mi hermano, cuyos ánimos en los peores momentos me dieron fuerzas para levantarme y
continuar; sin duda una de las personas que más han confiado en mis capacidades.
A Ana, mi pareja, amiga y principal apoyo durante todos los años dedicados a esta carrera.
Por animarme y motivarme, por confiar incondicionalmente en mí, por compartir mis éxitos y
mis fracasos y por hacer que todos estos años de duro trabajo hayan sido, a su vez, mis mejores
años.
A mis compañeros y amigos de la universidad, que no solo han proporcionado una ayuda
académica esencial en determinados momentos, sino que además han convertido muchos de esos
largos días de laboratorios y biblioteca en momentos inolvidables que atesorar. Especial mención
para mi grupo más cercano, con los que he afrontado mano a mano cada nuevo reto: Jorge
(Busi), Iván, Patrycja y Dani.
Por último, agradecer a Rubén de Diego, mi tutor, sus ideas y recomendaciones para que
este Proyecto Fin de Grado se haya convertido en una digna representación del conjunto de mis
estudios.

i

RESUMEN
A lo largo de las últimas décadas el desarrollo de la tecnología en muy distintas áreas ha
sido vertiginoso. Su propagación a todos los aspectos de nuestro día a día parece casi inevitable y
la electrónica de consumo ha invadido nuestros hogares.
No obstante, parece que la domótica no ha alcanzado el grado de integración que cabía
esperar hace apenas una década. Es cierto que los dispositivos autónomos y con un cierto grado
de inteligencia están abriéndose paso de manera independiente, pero el hogar digital, como
sistema capaz de abarcar y automatizar grandes conjuntos de elementos de una vivienda (gestión
energética, seguridad, bienestar, etc.) no ha conseguido extenderse al hogar medio.
Esta falta de integración no se debe a la ausencia de tecnología, ni mucho menos, y
numerosos son los estudios y proyectos surgidos en esta dirección. Sin embargo, no ha sido hasta
hace unos pocos años que las instituciones y grandes compañías han comenzado a prestar
verdadero interés en este campo. Parece que estamos a punto de experimentar un nuevo cambio
en nuestra forma de vida, concretamente en la manera en la que interactuamos con nuestro hogar
y las comodidades e información que este nos puede proporcionar.
En esa corriente se desarrolla este Proyecto Fin de Grado, con el objetivo de aportar un
nuevo enfoque a la manera de integrar los diferentes dispositivos del hogar digital con la
inteligencia artificial y, lo que es más importante, al modo en el que el usuario interactúa con su
vivienda.
Más concretamente, se pretende desarrollar un sistema capaz de tomar decisiones acordes
al contexto y a las preferencias del usuario. A través de la utilización de diferentes tecnologías se
dotará al hogar digital de cierta autonomía a la hora de decidir qué acciones debe llevar a cabo
sobre los dispositivos que contiene, todo ello mediante la interpretación de órdenes procedentes
del usuario (expresadas de manera coloquial) y el estudio del contexto que envuelve al instante
de ejecución.
Para la interacción entre el usuario y el hogar digital se desarrollará una aplicación móvil
mediante la cual podrá expresar (de manera conversacional) las órdenes que quiera dar al
sistema, el cual intervendrá en la conversación y llevará a cabo las acciones oportunas.
Para todo ello, el sistema hará principalmente uso de ontologías, análisis semántico, redes
bayesianas, UPnP y Android. Se combinará información procedente del usuario, de los sensores
y de fuentes externas para determinar, a través de las citadas tecnologías, cuál es la operación
que debe realizarse para satisfacer las necesidades del usuario.
En definitiva, el objetivo final de este proyecto es diseñar e implementar un sistema
innovador que se salga de la corriente actual de interacción mediante botones, menús y
formularios a los que estamos tan acostumbrados, y que permita al usuario, en cierto modo,
hablar con su vivienda y expresarle sus necesidades, haciendo a la tecnología un poco más
transparente y cercana y aproximándonos un poco más a ese concepto de hogar inteligente que
imaginábamos a finales del siglo XX.
iii

ABSTRACT
Over the last decades the development of technology in very different areas has happened
incredibly fast. Its propagation to all aspects of our daily activities seems to be inevitable and the
electronic devices have invaded our homes.
Nevertheless, home automation has not reached the integration point that it was supposed to
just a few decades ago. It is true that some autonomic and relatively intelligent devices are
emerging, but the digital home as a system able to control a large set of elements from a house
(energy management, security, welfare, etc.) is not present yet in the average home.
That lack of integration is not due to the absence of technology and, in fact, there are a lot of
investigations and projects focused on this field. However, the institutions and big companies have
not shown enough interest in home automation until just a few years ago. It seems that, finally, we
are about to experiment another change in our lifestyle and how we interact with our home and the
information and facilities it can provide.
This Final Degree Project is developed as part of this trend, with the goal of providing a new
approach to the way the system could integrate the home devices with the artificial intelligence
and, mainly, to the way the user interacts with his house.
More specifically, this project aims to develop a system able to make decisions, taking into
account the context and the user preferences. Through the use of several technologies and
approaches, the system will be able to decide which actions it should perform based on the order
interpretation (expressed colloquially) and the context analysis.
A mobile application will be developed to enable the user-home interaction. The user will be
able to express his orders colloquially though out a conversational mode, and the system will also
participate in the conversation, performing the required actions.
For providing all this features, the system will mainly use ontologies, semantic analysis,
Bayesian networks, UPnP and Android. Information from the user, the sensors and external sources
will be combined to determine, through the use of these technologies, which is the operation that
the system should perform to meet the needs of the user.
In short, the final goal of this project is to design and implement an innovative system, away
from the current trend of buttons, menus and forms. In a way, the user will be able to talk to his
home and express his needs, experiencing a technology closer to the people and getting a little
closer to that concept of digital home that we imagined in the late twentieth century.

v

ÍNDICE DE CONTENIDOS

AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................... i
RESUMEN ..................................................................................................................... iii
ABSTRACT .................................................................................................................... v
ÍNDICE DE CONTENIDOS ........................................................................................... vii
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................... xi
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................... xiii
ACRÓNIMOS ............................................................................................................... xv
Capítulo 1 Contextualización y descripción de la memoria ................................. 1
1.1 Objetivos del Proyecto Fin de Grado ................................................................ 3
1.1.1 Objetivos concretos ..................................................................................... 3
1.1.2 Objetivos principales ................................................................................... 4
1.2 Estructuración de contenidos. .......................................................................... 5
Capítulo 2 Estado del arte ....................................................................................... 7
2.1 Domótica .......................................................................................................... 9
2.1.1 Redes de dispositivos ............................................................................... 11
2.1.1.1 LonWorks ........................................................................................... 12
2.2 Inteligencia artificial ........................................................................................ 14
2.2.1 Inteligencia artificial en la domótica ........................................................... 16
2.3 Ontologías ...................................................................................................... 16
2.3.1 OWL .......................................................................................................... 17
2.3.2 Ontologías basadas en Marcos (Frame-based ontologies) ....................... 18
2.3.2.1 Protégé-Frames .................................................................................. 19
2.4 UPnP .............................................................................................................. 21
2.4.1 Componentes de una red UPnP ............................................................... 23
2.4.2 Cling .......................................................................................................... 25
2.5 Motores de búsqueda ..................................................................................... 26
2.5.1 Filtros de búsqueda ................................................................................... 27
2.6 Redes Bayesianas.......................................................................................... 27
2.6.1 Fundamento matemático .......................................................................... 29
2.6.2 UnBBayes ................................................................................................. 31
2.6.2.1 Tipos de Nodos .................................................................................. 32
2.6.2.2 Algoritmo Junction Tree ...................................................................... 33
2.7 Android ........................................................................................................... 34
2.7.1 Elementos principales de las aplicaciones Android ................................... 36
vii
2.8 Bases de datos ............................................................................................... 38
2.8.1 SQLite ....................................................................................................... 38
Capítulo 3 Especificaciones y análisis del sistema ............................................ 41
3.1 Especificaciones del sistema. ......................................................................... 42
3.1.1 Requisitos del sistema. ............................................................................. 42
3.1.1.1 Requisitos funcionales. ....................................................................... 43
3.1.1.2 Requisitos no funcionales. .................................................................. 46
3.1.2 Limitaciones propias del proyecto. ............................................................ 50
3.1.2.1 Especificaciones complementarias deseables. .................................. 52
3.2 Análisis de conjunto. ....................................................................................... 53
3.2.1 Comunicación entre componentes ............................................................ 53
3.2.2 Simulación de dispositivos ........................................................................ 58
3.2.3 Integración de ontologías y contexto en el sistema .................................. 60
Capítulo 4 Diseño e implementación .................................................................... 65
4.1 Modelo de desarrollo ...................................................................................... 67
4.2 Inteligencia en el sistema ............................................................................... 68
4.2.1 Proceso deductivo en el diseño de la IA ................................................... 68
4.2.2 Implementación de la IA ............................................................................ 70
4.3 Estructuración del conocimiento ..................................................................... 75
4.3.1 Ontología de dispositivos .......................................................................... 76
4.3.2 Ontología de órdenes ................................................................................ 80
4.4 Base de datos ................................................................................................ 85
4.5 Procesado del contexto .................................................................................. 90
4.5.1 Nodos implementados en la red bayesiana .............................................. 94
4.5.2 Asignación de valores absolutos en los nodos ......................................... 96
4.5.3 Tipos de redes implementados ................................................................. 99
4.5.4 Utilización de las redes bayesiana en el proceso de decisión ................ 101
4.6 Algoritmo de interpretación ........................................................................... 102
4.6.1 Sintaxis y rellenado de tablas de análisis ................................................ 103
4.6.2 Aplicación del contexto en el proceso de interpretación ......................... 111
4.6.3 Unificación de resultados para la obtención de conclusiones ................. 113
4.6.4 Obtención de conclusiones ..................................................................... 115
4.6.5 Diseño del algoritmo ............................................................................... 118
4.7 Simulador ..................................................................................................... 119
4.7.1 Características del Simulador ................................................................. 120
4.7.2 Control de estado e intercambio de información Simulador-Controlador
Principal ............................................................................................................... 121
4.8 Configuración de usuario .............................................................................. 124
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