Ejercicios: Domótica, IoT e inteligencia artificial

Explicá 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.

Respondé:

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

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

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

Clasificá estos dispositivos domóticos en sensor o actuador, y justificá 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.

Explicá qué es el internet de las cosas (objetos cotidianos conectados a la red: pulseras de actividad, heladeras, parlantes, lamparitas) y qué pueden hacer esos objetos gracias a la conexión que no podían hacer antes.

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

Explicá 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?

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

Decí si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justificá 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 lamparita 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.

Explicá 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.

Compará un termostato programable (obedece horarios fijos) con un termostato inteligente (aprende cuándo están en casa). Explicá 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.

Querés entrenar un sistema que distinga al perro del gato de la familia en la cámara del living. Explicá 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 enseñás fotos sacadas de día.

Una «escena» domótica llamada «salir de casa» apaga las luces, baja las persianas y activa la alarma con una sola orden. Explicá qué es una escena, qué ventaja tiene agrupar acciones y diseñá 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 living. Analizá qué datos salen de esa casa y a dónde van (los servidores del fabricante), qué significa «el micrófono 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. Calculá el consumo diario y anual en kWh y su costo anual a $\$6$ el kWh, y valorá si ese «peaje permanente» compensa según el uso que se les dé.

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

Tu familia compra una lamparita de una marca, un enchufe de otra y un parlante de una tercera, y no se entienden entre sí. Explicá 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.

Tu abuela de 78 años vive sola. Se despierta habitualmente entre las 7:30 y las 8:30 h para desayunar y tomar su medicación. Quiere mantener su independencia sin sentirse vigilada por cámaras ni micrófonos. Diseñá un sistema domótico de teleasistencia no invasivo:

1. a) Seleccioná tres tipos de sensores distintos (sin captación de imagen ni sonido) y especificá su ubicación estratégica en la casa.
2. b) Escribí el algoritmo o diagrama de flujo lógico (usando condiciones SI... Y... ENTONCES...) para que el sistema sea capaz de distinguir entre una mañana normal, un simple retraso al levantarse y una posible caída en el baño.
3. c) Justificá qué umbrales temporales asignarías a cada alerta y quién debe recibir los distintos avisos para garantizar la seguridad sin generar falsas alarmas ni vulnerar su intimidad.

Se ha entrenado un modelo de inteligencia artificial para controlar el riego automático de una huerta del liceo 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) Predecí dos decisiones erróneas que podría tomar la IA en esta situación anómala si su entrenamiento no incluía fenómenos extremos.
2. b) Explicá cómo influye el sesgo de los datos de entrenamiento en los fallos predichos.
3. c) Diseñá 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) Analizá 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), deducí qué información privada sobre la rutina y hábitos familiares queda expuesta si la base de datos se liquida y vende a terceros.
3. c) Justificá 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.

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

1. a) Un vecino te propone: «Programá la luz del living para que se encienda a las 20:00 h y se apague a las 23:00 h en punto todos los días, y bajá las persianas a las 21:00 h». Criticá técnicamente esta propuesta y explicá por qué un observador externo detectaría con facilidad que la vivienda está vacía.
2. b) Diseñá 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) Identificá dos indicios físicos externos ajenos a la domótica (como el contador de agua o la acumulación de correo) que delatarían la ausencia y proponé cómo resolver o mitigar al menos uno de ellos.

Evaluá 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 calefón (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) Calculá la energía total consumida al mes (30 días) exclusivamente por el funcionamiento de los equipos domóticos en kWh.
2. b) Calculá la energía total ahorrada al mes en kWh gracias a las automatizaciones del calefón y la calefacción.
3. c) Determiná el balance neto mensual en kWh y en pesos (a un precio medio de 0,16 pesos/kWh). Concluí si la instalación representa un ahorro real o un consumo parásito injustificado.

El monitor de energía de una vivienda registra de forma continua la potencia activa demandada (kW). Durante la noche (de 01:00 a 06:00 h), el consumo base normal oscila rítmicamente entre 0,08 kW y 0,22 kW debido a los ciclos del compresor de la heladera.

• Caso A: Un martes a las 02:40 h, el consumo sube repentinamente a 2,4 kW y permanece constante sin bajar durante cuatro horas seguidas.

• Caso B: Durante tres noches consecutivas, el consumo nocturno ya no cicla hacia abajo: se queda clavado de manera ininterrumpida en 0,38 kW.

1. a) Interpretá los datos y planteá una hipótesis técnica fundamentada para cada caso sobre qué dispositivo o anomalía física (avería, fuga, fallo de aislamiento o elemento encendido) está provocando esa curva.
2. b) Diseñá el protocolo de actuación automática que debería ejecutar el sistema domótico para el Caso A antes de alertar al usuario, razonando qué actuadores implicaría para prevenir un accidente grave.

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

1. a) Elegí razonadamente dos ambientes de la casa donde sea técnicamente funcional y seguro instalarlos, y dos ambientes 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». Rebatí con argumentos técnicos esta afirmación explicando cómo funciona la escucha pasiva local (wake word engine) y los riesgos de activación accidental.
3. c) Redactá 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.

Reto del tema. Climatización inteligente y eficiente en tu hogar.

Diseñá una propuesta de sistema domótico e IoT que regule la temperatura de tu habitación de forma eficiente, integrando microcontroladores y conceptos de inteligencia artificial.

1. Obtención de datos reales: Consultá en la web del INUMET la predicción horaria de temperatura de tu localidad para mañana. Registrá en una tabla las temperaturas previstas entre las $12,0\text{ h}$ y las $18,0\text{ h}$.

2. Arquitectura de control e IA: Dibujá el diagrama de bloques de tu sistema en lazo cerrado, identificando sensor, microcontrolador, actuadores y realimentación. Añadí una regla lógica donde un algoritmo de IA aprenda de tus hábitos para anticipar el encendido antes de que baje de $19,5\text{ }^{\circ}\text{C}$.

3. Simulación virtual: Modelá en Tinkercad Circuits o MakeCode para micro:bit el circuito de control: un sensor de temperatura ($TMP36$ o integrado) y dos actuadores (por ejemplo, LED azul para refrigeración y rojo para calefacción). Programá el código que ejecute la lógica.

4. Producto final: Entregá un informe breve (una página) con la tabla de datos del INUMET, el diagrama de bloques, la captura o enlace del circuito programado y una breve explicación de cómo se enviarían los datos a la nube vía IoT.

Se valorará:

• Identificación precisa de los elementos del sistema de control en lazo cerrado.

• Funcionamiento correcto del algoritmo y la simulación con el microcontrolador.

• Coherencia en la justificación del uso de IoT e IA aplicando los datos reales del INUMET.