Ejercicios: Domótica, IoT e inteligencia artificial

Explica qué es la domótica con tres ejemplos concretos de una casa inteligente (persianas que bajan al atardecer, calefacción que se enciende antes de que llegues, luces que responden a la voz) y qué tienen en común las tres.

La figura muestra una casa con varios dispositivos domóticos conectados entre sí a través de un elemento central, que aparece tapado con un interrogante.

Responde:

1. a) Nombra el elemento tapado que está en el centro de la instalación.

1. b) Explica qué información recibe ese elemento de los sensores y qué órdenes envía a los actuadores.

1. c) Clasifica los dispositivos rotulados en la figura en sensores y actuadores.

Clasifica estos dispositivos domóticos en sensor o actuador, y justifica dos de ellos: un detector de movimiento, una persiana motorizada, una cámara, un enchufe inteligente que corta o da corriente y un sensor de fugas de agua.

Explica qué es el internet de las cosas (objetos cotidianos conectados a la red: pulseras de actividad, neveras, altavoces, bombillas) y qué pueden hacer esos objetos gracias a la conexión que no podían hacer antes.

Cita cuatro ventajas de una casa domótica —comodidad, ahorro de energía, seguridad y accesibilidad para personas mayores o con movilidad reducida— y desarrolla una de ellas con un ejemplo concreto.

Explica con tus palabras cómo aprende un sistema de inteligencia artificial: igual que una persona pequeña aprende qué es un perro viendo muchos perros distintos, el sistema aprende de ejemplos. ¿Qué necesita en grandes cantidades para aprender bien?

Describe la cadena completa cuando pides algo a un asistente de voz: voz → conversión a texto → comprensión de la orden → acción → respuesta. Señala en qué paso puede fallar si hay ruido o un acento poco común.

Di si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justifica cada respuesta: (a) el internet de las cosas solo existe dentro de las casas; (b) un dispositivo «inteligente» siempre decide mejor que una persona; (c) los sensores de una casa domótica registran datos aunque nadie los mire; (d) una bombilla conectada puede recibir órdenes desde otro país.

La figura muestra cómo aprende una inteligencia artificial doméstica: registra durante semanas cuándo se encienden las luces, cuándo bajan las persianas y la temperatura de la casa.

Explica qué habrá aprendido el sistema para hacer la predicción tapada (anticipar las rutinas: por ejemplo, calentar la casa justo antes de que la familia llegue), por qué necesita muchos ejemplos de días distintos y qué riesgo tiene registrar la vida de un hogar con tanto detalle.

Compara un termostato programable (obedece horarios fijos) con un termostato inteligente (aprende cuándo están en casa). Explica qué datos usa el segundo, qué ahorro consigue al no calentar una casa vacía y qué ocurre si sus rutinas cambian de golpe, como en vacaciones.

Quieres entrenar un sistema que distinga al perro del gato de la familia en la cámara del salón. Explica qué ejemplos le darías (muchas fotos etiquetadas de cada uno, en distintas posturas y luces), qué aprendería el sistema de ellos y por qué fallaría si solo le enseñas fotos hechas de día.

Una «escena» domótica llamada «salir de casa» apaga las luces, baja las persianas y activa la alarma con una sola orden. Explica qué es una escena, qué ventaja tiene agrupar acciones y diseña otra escena llamada «noche» con al menos cuatro acciones ordenadas.

Un altavoz inteligente está siempre atento a su palabra de activación y una cámara interior graba el salón. Analiza qué datos salen de esa casa y a dónde van (los servidores del fabricante), qué significa «el micro solo se activa con la palabra clave» y qué configuraciones revisarías antes de instalarlos.

Una casa tiene diez aparatos conectados que consumen en promedio $2\ \text{W}$ cada uno en espera, las $24$ horas. Calcula el consumo diario y anual en kWh y su costo anual a $\$3$ el kWh, y valora si ese «peaje permanente» compensa según el uso que se les dé.

Se corta el internet en una casa domótica. Analiza qué funciones siguen trabajando (las que decide la unidad central de forma local: horarios, escenas básicas) y cuáles mueren (órdenes desde el celular fuera de casa, asistentes de voz en la nube), y explica qué significa diseñar un sistema «a prueba de apagones de red».

Tu familia compra una bombilla de una marca, un enchufe de otra y un altavoz de una tercera, y no se entienden entre sí. Explica qué es un estándar o protocolo común, por qué las marcas tardan en adoptarlo y qué mirarías en la caja antes de comprar el siguiente dispositivo.

Diseña la domótica de apoyo a una persona mayor que vive sola: sensores de movimiento que avisan si no detectan actividad por la mañana, un refrigerador que registra aperturas y un botón de emergencia. Analiza dónde está la línea entre cuidar y vigilar, y quién debería recibir cada aviso.

Se ha entrenado un modelo de inteligencia artificial para controlar el riego automático de un huerto escolar durante la primavera, usando mediciones de humedad del suelo, temperatura ambiente y radiación solar. A principios de verano sobreviene una ola de calor repentina (temperaturas de 41.5 °C) acompañada por una tormenta corta pero muy violenta (15 minutos de lluvia torrencial que encharca la superficie pero no cala hondo).

1. a) Predice dos decisiones erróneas que podría tomar la IA en esta situación anómala si su entrenamiento no incluía fenómenos extremos.
2. b) Explica cómo influye el sesgo de los datos de entrenamiento en los fallos predichos.
3. c) Diseña una regla de control de seguridad prioritaria (independiente de la IA) que bloquee el sistema para evitar que las plantas mueran por asfixia radicular o por estrés térmico.

Una familia compra un termostato inteligente y una cerradura electrónica gestionados íntegramente a través de la nube de una empresa emergente. A los dos años, la empresa quiebra y desconecta sus servidores de forma definitiva.

1. a) Analiza las consecuencias técnicas y de seguridad que sufrirá la vivienda tras el apagado del servicio (efecto 'dispositivo inservible' o brickeo).
2. b) A partir de los registros que recopilaba el termostato (temperaturas deseadas, horas de activación, geolocalización de los teléfonos vinculados), deduce qué información privada sobre la rutina y hábitos familiares queda expuesta si la base de datos se liquida y vende a terceros.
3. c) Justifica por qué una arquitectura domótica local (con un concentrador o hub en la propia vivienda) ofrece mayor resiliencia y privacidad frente a una solución 100 % dependiente de la nube.

Un ciberdelincuente logra acceder a la red doméstica de una vivienda comprometiendo una bombilla wifi económica cuyo firmware nunca se actualizó.

1. a) Explica el principio técnico por el cual un dispositivo tan elemental puede utilizarse como punto de entrada (pivoting) para interceptar el tráfico de datos de los ordenadores o móviles de la casa si comparten la misma red.
2. b) Diseña una propuesta de configuración de red para el rúter doméstico (mediante segmentación en subredes, VLAN o red de invitados) que aísle los dispositivos del internet de las cosas (IoT).
3. c) Justifica por qué el uso de protocolos domóticos específicos en malla (como Zigbee o Z-Wave conectados a una pasarela) reduce la superficie de ataque frente a conectar 30 aparatos directamente por wifi.

Quieres programar en el controlador domótico una rutina de «simulación de presencia» durante dos semanas de vacaciones familiares.

1. a) Un vecino te propone: «Programa la luz del salón para que se encienda a las 20:00 h y se apague a las 23:00 h en punto todos los días, y baja las persianas a las 21:00 h». Critica técnicamente esta propuesta y explica por qué un observador externo detectaría con facilidad que la vivienda está vacía.
2. b) Diseña un algoritmo realista que coordine al menos tres tipos de actuadores distintos (iluminación distribuida, persianas motorizadas, altavoces o televisor), integrando retardos pseudoaleatorios y lecturas de sensores de luminosidad exterior.
3. c) Identifica dos indicios físicos externos ajenos a la domótica (como el contador de agua o la acumulación de correo) que delatarían la ausencia y propón cómo resolver o mitigar al menos uno de ellos.

Evalúa el balance energético mensual de una vivienda que ha instalado domótica:

• Consumo propio del sistema: 1 controlador central de 4.5 W de consumo continuo; 10 enchufes/relés inteligentes de 0.8 W cada uno en espera; y 4 sensores conectados permanentemente consumiendo 0.5 W cada uno.

• Ahorro obtenido: automatizar el termo eléctrico (1500 W) para que no mantenga el agua caliente durante 5 horas valle al día en las que nadie lo usa, reduciendo su tiempo de calentamiento efectivo en 1.2 horas diarias; y recortar el uso innecesario de calefacción (2000 W) en 40 minutos diarios gracias a la detección de ventanas abiertas y presencia.

1. a) Calcula la energía total consumida al mes (30 días) exclusivamente por el funcionamiento de los equipos domóticos en kWh.
2. b) Calcula la energía total ahorrada al mes en kWh gracias a las automatizaciones del termo y la calefacción.
3. c) Determina el balance neto mensual en kWh y en pesos (a un precio medio de 0.16 pesos/kWh). Concluye si la instalación representa un ahorro real o un consumo parásito injustificado.

Una inteligencia artificial aprende el patrón normal de consumo eléctrico de una casa y detecta anomalías. Explica qué aprende (a qué horas se consume y cuánto), qué podría significar un consumo raro a las cuatro de la madrugada (un refrigerador descompuesto, una llave en la bomba de riego) y qué ventaja tiene avisar antes de que llegue el recibo.

Una familia con dos hijos adolescentes decide integrar tres asistentes virtuales con altavoz y micrófono en su vivienda.

1. a) Elige razonadamente dos estancias de la casa donde sea técnicamente funcional y seguro instalarlos, y dos estancias donde desaconsejarías totalmente su ubicación, justificando tu criterio a partir de riesgos de privacidad, falsos accionamientos o acústica.
2. b) Un miembro de la familia afirma: «El altavoz no graba ni envía nada a internet hasta que decimos la palabra clave en voz alta; antes de eso el micrófono está inactivo». Rebate con argumentos técnicos esta afirmación explicando cómo funciona la escucha pasiva local (wake word engine) y los riesgos de activación accidental.
3. c) Redacta tres normas de seguridad digital y configuración interna indispensables que deben aplicarse en la cuenta administradora para evitar compras no deseadas, accesos a datos bancarios o almacenamiento indefinido de grabaciones de voz.