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Prototipo de Sistema para la Gestión de un Electrodoméstico y una
Salida de Alumbrado Utilizando Protocolos y Convergencia IP
Herrera Aguilar Nicolás Enrique
Código: 20102007009
Clavijo Camargo María Alejandra
Código: 20102007030
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad De Ingeniería
Proyecto Curricular De Ingeniería Eléctrica
Bogotá D.C.
2016
2
Prototipo de Sistema para la Gestión de un Electrodoméstico y una
Salida de Alumbrado Utilizando Protocolos y Convergencia IP
Herrera Aguilar Nicolás Enrique
Código: 20102007009
Clavijo Camargo María Alejandra
Código: 20102007030
Proyecto De Grado Para Optar Por El Titulo Ingeniero Eléctrico
Directores
Ingeniero Espinel Ortega Álvaro
Ingeniera Vega Escobar Adriana Marcela
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad De Ingeniería
Proyecto Curricular De Ingeniería Eléctrica
Bogotá D.C.
2016
3
Agradecimientos
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas de Bogotá, por su apoyo a la
investigación científica.
Al personal de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas que con su ayuda
hizo posible este proceso de capacitación durante los últimos cinco años.
A los Ingenieros Álvaro Espinel y Adriana Vega quienes nos orientaron con sus
mejores aportes académicos, sus experiencias, orientaciones, ejemplo de
perseverancia, y aliento en momentos difíciles para salir adelante en nuestros
proyectos.
A nuestros padres y hermanas que nos apoyaron y colaboran durante este
proceso. A nuestros amigos y familia quienes nos ayudaron a desarrollar, trabajar
en equipo y lograr construir juntos un prototipo que contribuirá con el beneficio de
la sociedad.
4
Tabla contenido
Tabla contenido ....................................................................................................... 4
Índice de tablas .................................................................................................... 8
Índice de figuras ................................................................................................... 9
1 Introducción .................................................................................................... 11
2 Objetivos ......................................................................................................... 14
2.1 Objetivo general ....................................................................................... 14
2.2 Objetivos específicos ............................................................................... 14
3 Marco Teórico y Conceptual ........................................................................... 15
3.1 Redes inteligentes y Electrodomésticos Inteligentes ............................... 15
3.2 Bombillo IP ............................................................................................... 16
3.3 Tomacorrientes inteligentes. .................................................................... 17
4 Selección de Tecnologías ............................................................................... 18
4.1 Adaptadores para comunicación PLC ...................................................... 19
4.2 Micro controlador ..................................................................................... 20
4.3 Elemento de Medición de Energía ........................................................... 21
4.4 Elementos de Medición de Corriente ....................................................... 22
4.4.1 Resistencia Shunt .............................................................................. 23
4.4.2 Transformador de Corriente (TC) ...................................................... 23
4.4.3 Sensor de Efecto Hall ........................................................................ 23
4.4.4 Bobina Rogowski ............................................................................... 23
4.5 Elementos de Medición de Tensión. ........................................................ 23
4.6 Ethernet .................................................................................................... 24
4.7 Sensor de Movimiento .............................................................................. 25
4.8 Sensor inercial ......................................................................................... 25
4.9 Actuador ................................................................................................... 26
5 Descripción de los prototipos .......................................................................... 29
5.1 Salida de Alumbrado ................................................................................ 29
5.1.1 Software (Página Web) ...................................................................... 31
5.1.1.1 Modos de funcionamiento ........................................................... 31
5.2 Plancha eléctrica ...................................................................................... 31
5
5.2.1 Software (Página Web) ...................................................................... 34
5.2.1.1 Modos de funcionamiento ........................................................... 34
6 Diseño e implementación de los prototipos .................................................... 35
6.1 Diseño hardware ...................................................................................... 35
6.1.1 Comunicación ADE ............................................................................ 35
6.1.2 Calibración Medidas Eléctricas .......................................................... 43
6.1.2.1 Calibración Tensión .................................................................... 44
6.1.2.2 Calibración corriente ................................................................... 46
6.1.2.3 Calibración energía activa ........................................................... 48
6.1.2.4 Resumen medidas eléctricas ...................................................... 50
6.1.2.5 Calibración acelerómetro giroscopio plancha eléctrica ............... 50
6.1.3 Comunicación Ethernet ..................................................................... 50
6.1.4 Acoplamiento Sensores ..................................................................... 51
6.1.4.1 Sensor PIR .................................................................................. 51
6.1.4.2 Acelerómetro giroscopio ............................................................. 51
6.2 Diseño software ....................................................................................... 52
6.2.1 Archivo de Conexión y Bases de Datos ............................................. 52
6.2.2 Interfaz Gráfica .................................................................................. 53
6.2.3 Actualización Precio kWh .................................................................. 54
6.2.4 Modos de Funcionamiento Salida de Alumbrado .............................. 55
6.2.5 Modos de Funcionamiento Plancha Eléctrica .................................... 56
6.2.6 Graficas Parámetros Eléctricos ......................................................... 57
6.2.7 Datos de Contacto Autores ................................................................ 58
6.2.8 Códigos Elaborados .......................................................................... 58
7 Verificación y pruebas..................................................................................... 59
7.1 Verificación de medición. ......................................................................... 59
7.1.1 Verificación medición tensión salida de alumbrado. .......................... 59
7.1.2 Verificación medición tensión plancha eléctrica................................. 59
7.1.3 Verificación Medición Corriente Salida de Alumbrado ....................... 60
7.1.4 Verificación Medición Corriente Plancha Eléctrica............................. 61
7.1.5 Verificación Medidas Energía Activa ................................................. 61
7.2 Prueba de uso salida de alumbrado ......................................................... 62
6
7.3 Prueba de uso Plancha eléctrica .............................................................. 64
7.4 Pruebas página web................................................................................. 68
7.5 Costos insumos prototipos ....................................................................... 70
8 Trabajo futuro ................................................................................................. 72
9 Conclusiones .................................................................................................. 73
10 Bibliografía .................................................................................................. 74
11 Anexos ........................................................................................................ 78
11.1 Código Arduino salida alumbrado ......................................................... 78
11.2 Código Arduino plancha ........................................................................ 81
11.3 Código Página web ............................................................................... 84
11.3.1 Archivo de conexión y base de datos Interfaz gráfica .................... 84
11.3.1.1 Archivo de conexión ................................................................... 84
11.3.2 Actualización precio kWh ............................................................... 84
11.3.3 Modo funcionamiento salida de alumbrado .................................... 84
11.3.4 Modo funcionamiento plancha ........................................................ 85
11.3.5 Graficas parámetros eléctricos ....................................................... 85
11.3.5.1 Código Grafica. .......................................................................... 85
11.3.6 Datos contacto Códigos elaborados ............................................... 86
11.3.6.1 Pestaña contáctenos .................................................................. 86
11.3.6.2 Encender o apagar ..................................................................... 86
11.3.6.3 Código visualización eventos ..................................................... 86
11.3.6.4 Código actualizar valores cadena .............................................. 87
11.4 Página web ........................................................................................... 87
11.4.1 Página Acceso ............................................................................... 87
11.4.2 Página principal Salida de alumbrado ............................................ 88
11.4.3 Página principal plancha ................................................................ 89
11.4.4 Página instrucciones salida de alumbrado ..................................... 90
11.4.5 Página instrucciones plancha ......................................................... 91
11.4.6 Página modo .................................................................................. 91
11.4.7 Página modo manual plancha ........................................................ 91
11.4.8 Página graficas ............................................................................... 91
11.4.9 Página grafica tensión .................................................................... 92
7
11.4.10 Página grafica corriente.................................................................. 92
11.4.11 Página grafica energía ................................................................... 92
11.4.12 Contáctenos ................................................................................... 93
11.5 Circuito PCB ......................................................................................... 93
11.6 PCB 3D ................................................................................................. 94
8
Índice de tablas
Tabla 1. Caracteristicas Sockets disponibles en el Mercado................................. 18
Tabla 2 Características PLC disponibles en el Mercado ....................................... 20
Tabla 3 Tarjetas Arduino ....................................................................................... 21
Tabla 4 Medidores que ofrece la compañía Analog Devices. ............................... 22
Tabla 5 Comparación Ethernet en el mercado ...................................................... 24
Tabla 6 Características sensores de movimiento disponibles en el Mercado ....... 25
Tabla 7 Características sensores inerciales disponibles en el Mercado ............... 26
Tabla 8 Tiempos de comunicación ........................................................................ 38
Tabla 9 Calibración tensión ................................................................................... 45
Tabla 10 Valores obtenidos para la calibración de corriente ................................. 47
Tabla 11 Valores obtenidos para la calibración de energía activa ........................ 49
Tabla 12 Resumen algoritmos valores medidos .................................................... 50
Tabla 13 Errores máximos medición tensión salida de alumbrado. ...................... 59
Tabla 14 Errores máximos medición tensión plancha electrica. ............................ 60
Tabla 15 Errores máximos medición corriente salida de alumbrado. .................... 60
Tabla 16 Errores máximos medición corriente plancha electrica. ......................... 61
Tabla 17. Resumen Ahorro Consumo Salida de Alumbrado. ................................ 63
Tabla 18. Consumo Ahorro Energía a Gran Escala. ............................................. 64
Tabla 19. Resumen Ahorro Energia Plancha. ....................................................... 67
Tabla 20 Tiempos de respuesta en que ejecuta la acción .................................... 70
Tabla 21 Tiempos de respuesta en que se visualiza la pagina ............................. 70
Tabla 22 Costo prototipos ..................................................................................... 71
Tabla 23 Costo producción 100 unidades ............................................................. 71
9
Índice de figuras
Figura 1 Esquema prototipos. ............................................................................... 12
Figura 2 Electrodomésticos inteligentes ................................................................ 15
Figura 3 Elementos seleccionados para los prototipos ......................................... 28
Figura 4 Esquema salida alumbrado ..................................................................... 30
Figura 5 Esquema plancha.................................................................................... 33
Figura 6 Modos SPI Arduino ................................................................................. 37
Figura 7 Tiempos de Comunicación ADE 7763 Escritura ..................................... 37
Figura 8 Tiempos de Comunicación ADE 7763 lectura ......................................... 38
Figura 9 Conexión simulación ............................................................................... 39
Figura 10 Tiempos de comunicación simulados 1 ................................................. 39
Figura 11 Tiempos de comunicación simulados 2 ................................................. 40
Figura 12 t1 ........................................................................................................... 41
Figura 13 t2 ........................................................................................................... 41
Figura 14 t3 ........................................................................................................... 41
Figura 15 t4 ........................................................................................................... 41
Figura 16 t5 ........................................................................................................... 41
Figura 17 t6 ........................................................................................................... 41
Figura 18 t7 ........................................................................................................... 42
Figura 19 t8 ........................................................................................................... 42
Figura 20 Conexión ADE y Arduino en PROTEUS ............................................... 42
Figura 21 MISO ..................................................................................................... 43
Figura 22 t11 ......................................................................................................... 43
Figura 23 t12 ......................................................................................................... 43
Figura 24 Prototipos .............................................................................................. 44
Figura 25 Regresión tensión ................................................................................. 45
Figura 26 Entrada canal 1 ..................................................................................... 46
Figura 27 Señal divisor de corriente ...................................................................... 46
Figura 28 Regresión Corrientes ............................................................................ 47
Figura 29 Regresión energía activa ...................................................................... 49
Figura 30 Tablas Base de Datos ........................................................................... 53
Figura 31 Precio KWh ........................................................................................... 54
Figura 32 Base de datos precio KWh .................................................................... 54
Figura 33 Valor Actualizado de Energía ................................................................ 55
Figura 34 Modos de Funcionamiento .................................................................... 55
Figura 35 Modo 1 .................................................................................................. 56
Figura 36 Modo Manual Plancha Eléctrica ............................................................ 56
Figura 37 Base de Datos Plancha Eléctrica .......................................................... 57
Figura 38 Grafica energia ...................................................................................... 57
Figura 39 Error medida tensión salida de alumbrado. ........................................... 59
Figura 40 Error medida tensión plancha eléctrica. ................................................ 60
10
Figura 41 Error medida corriente salida de alumbrado. ........................................ 60
Figura 42 Error medida corriente plancha eléctrica. .............................................. 61
Figura 43 Tabla resumen Verificación ................................................................... 62
Figura 44 Consumo salida de alumbrado sin utilizar de página web. .................... 62
Figura 45 Consumo salida de alumbrado utilizando página web. ......................... 63
Figura 46. Prueba 1 - Energia Plancha Electrica. .................................................. 65
Figura 47. Prueba 2 - Vivienda 1. .......................................................................... 66
Figura 48. Prueba 2 - Vivienda 2. .......................................................................... 66
Figura 49. Prueba 2 - Vivienda 3. .......................................................................... 66
Figura 50 Prueba de uso plancha eléctrica ........................................................... 67
Figura 51 Prueba plataformas página web 1 ......................................................... 68
Figura 52 Ubicación usuarios con la IP ................................................................. 69
Figura 53 Precio Vs. Cantidad ............................................................................... 71
11
1 Introducción
En el siguiente documento se detalla el diseño y desarrollo del proyecto llamado: “Prototipo de Sistema para la Gestión de un Electrodoméstico y una Salida de Alumbrado Utilizando Protocolos y Convergencia IP” el cual se elaboró para optar al título de Ingeniero Eléctrico en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Muchas de las residencias actualmente cuentan con sistemas domóticos como el control remoto del televisor o el control para abrir la puerta del garaje. La domótica se considera como el inicio de la tecnificación doméstica, empleando “elementos que proporcionan algún nivel de automatización” (Snyder, Gunther, & Griffin, 2012). El avance de la tecnología como el “Internet de las cosas”, hace que desde el último modelo de automóvil hasta una aspiradora puedan ser gestionadas de forma remota desde cualquier dispositivo con conexión a internet por medio de una plataforma vitual (Méndez, 2015).
Para realizar una interaccion entre los objetos utilizando internet se requiere de un protocolo de internet (IP) que sea parte integral del sistema, con el fín de monitorearlos es decir recolectar, analizar y utilizar información para hacer seguimiento al consumo energético y controlarlos modificando la evolucion del proceso, lo cual permite que redes similares intercambien información entre sí (Luis & Ortiz, 2012). Otro elemento es el Ethernet y su funcionamiento depende de la combinación del software como parte intangible para hacer funcionar un computador y del hardware que son los componentes computacionales físicos (Higuita, 2014).
A raíz de la preocupación mundial frente a la creciente demanda de energía y al cambio climático, el sector energético ha centrado sus esfuerzos en la eficiencia energética (Agencia Chilena de Eficiencia Energetica, 2013). Para cumplir su propósito la eficiencia energética requiere de la última tecnología como el “internet de la cosas”, para controlar dispositivos.
Aunque la energía eléctrica es un recurso importante, muchas personas hacen mal uso de ésta, además factores como: el crecimiento de la población, reducción de habitantes por vivienda y crecimiento de la demanda por la adquisición de más electrodomésticos, implican un mayor gasto de energía y probabilidad de que en un futuro cercano se produzca un desabastecimiento. El uso eficiente de energía juega un papel importante en la reducción del consumo de energía, permitiendo disminuir la demanda y por consiguiente el costo en la factura sin pérdida del bienestar (Agencia Chilena de Eficiencia Energetica, 2013).
El sector residencial es un consumidor sustancial de energía eléctrica en el mundo y su consumo varía en relación al nivel de ingresos, la oferta en un futuro cercano no podrá suplir la demanda de la población. En la Región Capital de Colombia, el sector residencial tiene un consumo aproximado de 4500 GWh frente a los otros sectores como el comercial e industrial (Fedesarrollo Energia de Bogotá, 2013)
12
Debido a que el “internet de la cosas” permite controlar dispositivos desde cualquier parte del mundo brindando seguridad a los usuarios con respecto a los accidentes que se pueden llegar a presentar en las residencias, tal como demuestra el estudio realizado en Ecuador que encontró que una de las causas más comunes de accidentalidad en los hogares a nivel mundial, es la plancha eléctrica (Llivisaca, 2010). Agregando a lo anterior la iluminación representa en el entorno el 5% de la energía neta consumida por el sector residencial, pero si miramos en el consumo de energía eléctrica este porcentaje se eleva al 15% (Corez, 2014).
Con respecto a los estudios nombrados anteriormente surge la inquietud acerca de: ¿Cómo se mejora de forma eficiente el consumo de energía de un electrodoméstico y una salida de alumbrado, a través de protocolos y convergencia IP que permita monitorearlos, supervisarlos y controlarlos?
Este proyecto propone el diseño y desarrollo de dos prototipos, el primero para una salida de alumbrado y el segundo para una plancha eléctrica, estimando comunicación por línea de potencia a través de protocolos y convergencia IP, brindándole al usuario la opción de conocer el precio de la energía consumida, permitiendo observar la evolución de las variables de control es decir supervisar, controlar y monitorear el consumo en tiempo real a través de datos como tensión, corriente y energía.
En la Figura 1, se observa el esquema general implementado en los prototipos, utilizando comunicación por línea de potencia PLC, con el fin de ofrecer acceso remoto a los prototipos utilizando cualquier dispositivo conectado a internet, brindándole al usuario la posibilidad de tomar decisiones para el encendido y apagado, igualmente es de gran importancia resaltar que el usuario visualiza en la aplicación web el consumo de energía [Wh], precio [$], tensión [V] y corriente[A].
Figura 1 Esquema prototipos.
Fuente: Autores.
13
En este documento se presentan los siguientes capítulos: los Capítulos I y II describen el proyecto, su relevancia y los objetivos que se desean alcanzar en el desarrollo del mismo. En el Capítulo III se presentan las generalidades de los electrodomésticos inteligentes y sus características. El Capítulo IV, se selecciona y analizan los componentes para gestionar o en otros términos optimizar el uso de la energía buscando un uso racional y eficiente, sin disminuir el nivel de prestaciones. En el Capítulo V se describen los prototipos, especificando el hardware y el software de cada uno y los modos de funcionamiento. El Capítulo VI muestra el diseño de los prototipos desarrollados, describiendo el hardware con sus respectivas calibraciones, las diferentes comunicaciones y el diseño del software. En el Capítulo VII se detallan los resultados obtenidos en cada una de las pruebas realizadas. En el Capítulo VIII se exponen las líneas de trabajo futuro con base a los resultados del presente proyecto y se analizan los beneficios de sus múltiples aplicaciones. Finalmente, en el Capítulo IX se exponen las conclusiones, explicando los alcances y limitaciones del presente trabajo.
14
2 Objetivos
2.1 Objetivo general
Implementar un sistema de gestión múltiple para electrodomésticos y salida de alumbrado, utilizando protocolos IP para realizar la supervisión, monitoreo y control remoto de los dispositivos, para mejorar la eficiencia energética.
2.2 Objetivos específicos
Diseñar los sistemas de medida, supervisión y control para los dispositivos propuestos utilizando protocolos de comunicación y convergencia IP.
Desarrollar un software que permita al servidor recibir información del estado de operación de los dispositivos monitoreados, utilizando protocolos IP, para tomar decisiones de encendido y apagado, con algoritmos de gestión.
Proponer el prototipo de sistema de gestión múltiple de electrodomésticos y salida de alumbrado.
Evaluar la eficiencia energética y la factibilidad económica del prototipo de sistema de gestión propuesto, para la implementación de los dispositivos seleccionados en usuarios residenciales.
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3 Marco Teórico y Conceptual
3.1 Redes inteligentes y Electrodomésticos Inteligentes
Las redes inteligentes (Smart Grids) permiten comunicación bidireccional entre el usuario final y las compañías eléctricas, generando un equilibrio entre la oferta y la demanda de energía (Bayindir, Colak, Fulli, & Demirtas, 2016). Hace 15 años ENEL, la compañía eléctrica de mayor importancia de Italia, desarrolló una de las redes inteligentes más grandes del mundo gracias a la cual más de la mitad de las viviendas cuentan con “medidores inteligentes”. Estos, además de medir el consumo individual, cuentan con la capacidad de encender o apagar un electrodoméstico cuando el flujo de energía sea mayor (Duerr & Salinas, 2013). Uno de los factores principales en las redes inteligentes es la eficiencia energética, debido a que favorecen el aprovechamiento consciente e inteligente de la energía disponible y la inclusión del usuario en el mercado energético, pasando de ser un consumidor pasivo a un consumidor capaz de decidir cómo y cuándo utilizar sus electrodomésticos, el ejemplo se evidencia en la Figura 2.
Figura 2 Electrodomésticos inteligentes
FUENTE: LG, 2014
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Otro rasgo de la eficiencia energética es la disminución del consumo de energía sin disminuir el confort y la calidad de vida. Para la medición de la eficiencia energética no se tiene en cuenta la relación entre energía útil y total empleada, por el contrario se emplean indicadores, estos pueden relacionar la energía con diferentes temas como sociales, económicos, entre otros (Huidobro, Novel, Nogales, & Santamaría, 2007). Actualmente existen diferentes indicadores entre los cuales se encuentran los indicadores agregados donde se espera conocer los detalles del consumo final de la energía, es necesario recalcar que definir los indicadores de consumo de energía para el sector residencial, no es sencillo debido a que intervienen diferentes factores como el ingreso económico, el acceso a equipos con mayor eficiencia energética, entre otros. En consecuencia se han propuesto indicadores como el consumo por habitante, por metro cuadrado, por vivienda perteneciente a un mismo estrato socioeconómico (Horta, 2010).
3.2 Bombillo IP
Hoy en día los objetos que normalmente nos rodean en la vivienda están conectándose a internet, llamado "internet de las cosas" (Méndez, 2015), en este caso la salida de alumbrado IP es uno de los dispositivos que interesa analizar en este proyecto, actualmente muchas de las empresas productoras de bombillas en el mundo han tratado de sustituir las bombillas fluorescentes, incandescentes o LED por bombillas mucho más eficientes integrándolas con sistemas digitales y así recoger datos del consumo.
Es el ejemplo del fabricante holandés NXP que comercializa los componentes necesarios para que las bombillas se conecten a Internet, incluso teniendo su propia dirección IP, recibiendo órdenes y comportándose inteligentemente de forma individual. Todo esto funciona alimentado por la corriente eléctrica de la vivienda dentro de la propia bombilla; teniendo un 'modo en espera' suficiente para poder recibir una orden de encendido para comenzar a funcionar al instante (Ibáñez, 2011).
Así mismo, Phillips ha hecho una alianza con la sede regional de Deloitte en Ámsterdam (Holanda), para construir un edificio de 14 pisos que cuenta con 6.500 lámparas cada una con una dirección IP y cinco sensores, todos ellos conectados sólo a cables de Ethernet. Las lámparas incluyen un detector de movimiento que cubre el área que está justo debajo de cada luz y la apaga cuando no hay nadie. "Esperamos gastar un 70% menos en electricidad porque estos sistemas nos permiten un control mucho mayor", dice el director de información para Deloitte en Holanda, Erik Ubels (Talbot, 2014).
Igualmente, la compañía estadounidense GreenWaveReality ha presentado un sistema denominado GreenWaveRealityConnectedLightingSolution que permite el control de las bombillas de una casa o de una oficina mediante una aplicación iOS, Android y WiFi. Este kit que está disponible en USA por unos 200 dólares, consta de un router con capacidad de controlar hasta 500 salidas de alumbrado mediante WiFi (Green Wave Reality, 2013).
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Como se evidenció las aplicaciones de estas bombillas IP pueden ser muchas y variadas: además de comportarse como las bombillas de bajo consumo pueden programarse de forma individual para encenderlas y apagarlas de forma remota como lo ha desarrollado la empresa OZOM, ofreciendo diferentes productos que facilitan ser controlados a través de una aplicación utilizando Smartphone o Tablet, algo que es habitual en los sistemas de seguridad, así mismo, puede brindar tranquilidad a los usuarios para permitir controlar y optimizar el gasto energético. (OZOM, 2016)
Al realizar una evaluación detallada de las tecnologías que actualmente ofrece el mercado se identificaron las siguientes carencias:
Los funcionamientos de muchas salidas de alumbrado se orientan a un funcionamiento independiente de encendido y apagado, es decir, no se genera ninguna información al usuario acerca del consumo.
Los dispositivos que integran módulos de comunicación lo desarrollan por medio de una aplicación en un dispositivo móvil, por lo cual no es adecuado para otro tipo de dispositivos.
Los registros de medida que ofrecen son predeterminados, lo que impide al usuario conocer la información que desea.
Pocos de los elementos encontrados son elaborados en Colombia y no son accesibles para toda la población.
3.3 Tomacorrientes inteligentes.
Considerando que actualmente no existe en el mercado una “plancha inteligente o IP” se resolvió analizar los sockets, los cuales realizan acciones sobre las cargas conectadas a la red, como puede ser una plancha, con el fin de verificar su estado a través de una aplicación de control y lograr apagarlos o encenderlos de forma remota (Acosta & Padilla, 2015). Estos dispositivos facilitan tener un control en las rutinas diarias logrando controlar cada electrodoméstico, logrando que las viviendas sean más dinámicas, funcionales y adecuadas a los estilos de vida moderna, estos aparatos hacen posible que los usuarios controlen en modo inteligente sus electrodomésticos (Edimax, 2016). A continuación, se muestran algunos dispositivos de tomacorrientes inteligentes que se ofrecen en el mercado actual:
18
Tabla 1. Caracteristicas Sockets disponibles en el Mercado.
Fuentes: Efergy, 2016 & Edimax, 2016 & TP-Link, 2016 & Belkin, 2016 & Wattio, 2016
Juzgando los dispositivos anteriores y evaluando cada una de sus características se identificaron las siguientes insuficiencias para el usuario:
Los funcionamientos de estos tomacorrientes se orientan a una gran cantidad de electrodomésticos, lo cual genera al usuario un costo extra al comprar varios tomacorrientes.
Los dispositivos que integran módulos de comunicación lo desarrollan por medio de una aplicación en un dispositivo móvil, por lo cual no es adecuado para otro tipo de dispositivos.
No existe un control, monitoreo y supervisión de un solo aparato por igual, es decir, no se genera ninguna información al usuario sobre todos los dispositivos al tiempo.
Pocos de los elementos encontrados son elaborados en Colombia y no son accesibles para toda la población.
4 Selección de Tecnologías
La primera etapa para el desarrollo de este proyecto, se orientó en la investigación
y obtención de la información relacionada con las tecnologías y elementos
requeridos para la realización del proyecto. Iniciando con la selección del
microcontrolador o microprocesador a utilizar, las principales opciones que se
analizaron fueron la Raspberry PI, Arduino y Pic, la primera es una computadora
completamente funcional que cuenta con características entre las cuales se
encuentra memoria RAM de 512 MB, puede ejecutar un sistema operativo real en
Linux, además de realizar varias tareas, soportar dos puertos USB y conectarse
19
de forma inalámbrica a Internet. La segunda tiene la capacidad „analógica en
„tiempo real‟ lo que le permite trabajar con casi cualquier tipo de sensor o chip a
diferencia de la Raspberry Pi que para la lectura de los sensores analógicos
requiere la asistencia de hardware adicional. Finalmente el PIC es un circuito
integrado programable, el cual contiene todos los componentes para poder realizar
y controlar una tarea. La simplicidad de Arduino hace que éste sea una apuesta
mucho mejor para proyectos de hardware además que para estudios de
factibilidad o pruebas rápidas como estudio inicial de un proyecto más grande,
Arduino ahorra costos y tiempo.
La metodología para la selección de las tecnologías a utilizar se basó en buscar
características que se utilizaran en conjunto para la fácil implementación con
Arduino® por que se me dio la hijo de puta gana buscando que los sensores y
medidores usados contaran con comunicación SPI, igualmente se pretendió evitar
que los componentes generaran un calentamiento excesivo, por último y no menos
importante se buscó que las tecnologías estuvieran disponibles en Colombia,
tuvieran un tamaño compacto y a un precio accesible, a continuación se presenta
la información encontrada más importante: 4.1 Adaptadores para comunicación PLC
La tecnología PLC (Power Line Communications) es capaz de transmitir datos a través de la red eléctrica, por lo cual, se puede extender o compartir una conexión a Internet a cualquier receptor PLC que se encuentre en la misma red eléctrica (Serna, 2011). Es de vital importancia tener en cuenta que las redes eléctricas son un mal medio para las transmisiones de comunicaciones, es por esto que fue necesario adelantar una investigación relacionada con los tipos de tecnologías PLC que se ofrecen actualmente en el mercado con el fin de lograr la implementación adecuada a los prototipos inspeccionando factores como funcionalidad, precio, facilidad de uso y dimensiones.
Como resultado de lo anterior, se generó un resumen en el cual se reúne la información más relevante obtenida en la investigación, la cual, se consolidó en la Tabla 2, en la que se presentan las características de cada uno de los dispositivos para comunicación PLC encontrados:
20
Tabla 2 Características PLC disponibles en el Mercado
Fuente: Tp-link, 2016 & NETGEAR Logo, 2016 & LINKSYS, 2016 & Trendnet,
2016
Esta tecnología ha ido avanzando debido a su implementación en procesos de comunicación, igualmente, gran cantidad de proveedores y dispositivos lo ofrecen en el mercado; es por esto, que fue necesario delimitar la búsqueda y orientarla a dispositivos de bajo costo con velocidad de transferencia de datos aceptable teniendo en cuenta que el prototipo se va a implementar en una vivienda.
Tras el estudio realizado, se determinó la selección del adaptador “Powerline AV500 Nano" (Tp-link, 2016), debido a su versatilidad, bajo costo, velocidad de transferencia de datos la cual es suficiente para los prototipos, igualmente, brinda la posibilidad de ser un sistema Plug and Play, lo que facilita la operación y funcionamiento de este adaptador, cuenta con seguridad en la red y protege los datos mediante una encriptación AES de 128 bits. Cabe resaltar que la velocidad del ancho de banda real puede ser afectada debido a interferencias, calidad de la línea, distancia y numero de dispositivos conectados a la red, disminuyendo hasta los 100 Mb ps. Por otra parte, otro de los criterios determinantes en la selección de este adaptador, fue la disponibilidad de poderlo adquirir en Colombia de una manera muy sencilla, sin necesidad de envíos y demás factores que pudieran afectar la parte económica de este proyecto.
4.2 Micro controlador
Para el desarrollo de este prototipo se requiere una plataforma de hardware, por lo cual lo primero fue establecer el sistema de desarrollo más adecuado entre los existentes en el mercado, los cuales ofrecen beneficios dependiendo del tipo de micro controlador, tipo de puerto, memoria, entre otros. Para implementar el entorno de diseño y simulación del sistema de medición con Arduino® que criterio es necesario establecer que tarjetas existen, en la Tabla 3 se comparan las características de algunas de estas.
Nombre MarcaVelocidad de
TransferenciaPrecio Rango Dimensiones Otros
Disponible
en Colombia
Powerline
1200Netgear
Hasta 1200
Mbps
$210.000-
$294.000
0
Hasta
1800m
1143x558x300
0mm
Sistema Plug and
Play, apagado
automático.
No
Powerline
AV500
Nano
Tp-Link Hasta 500Mbps$100.000-
$130.000Hasta 300m 65x52x28.5mm
Sistema Plug and
Play, no requiere
cables nuevos.
Si
Powerline
500AV2
TRENDN
etHasta 600Mbps
$170.700-
$267.500Hasta 300m 55x87x51mm
Sistema Plug and
Play, puerto Gigabit
de alto rendimiento.
No
Powerline
Gigabit
AV500
Tp-LinkHasta 500
Mbps
$220.000-
$250.000Hasta 300m 105x58x40mm
Sistema Plug and
Play, transmite
películas en 3D.
Si
Powerline
PLEK500Cisco 500Mbps
$250.700-
$390.000Hasta 300m
90,67x62,99x3
4,53mm
Sistema Plug and
Play, maneja alta
definición.
No
21
Tabla 3 Tarjetas Arduino
Fuente: (Arduino, 2015)
Las tarjetas analizadas ofrecen beneficios dependiendo del tipo de micro controlador, tipo de puerto, memoria, salidas de tensión, pines digitales, pines análogos, entre otras; para las aplicaciones de medición de energía para una salida de alumbrado y una plancha eléctrica, se determinó que la tarjeta más adecuada es el Arduino Nano debido a su tamaño compacto, el cual implica una disminución en los costos de forma significante, por otra parte tiene una memoria adecuada para la aplicación y lo más importante tiene la posibilidad de obtener una comunicación SPI (Serial Peripheral Interface) con otro dispositivo.
4.3 Elemento de Medición de Energía
Se determinó el medidor de energía más adecuado, basado en la amplia cartera de medidores que ofrece la empresa Analog Devices, los cuales se muestran en la Tabla 4, en donde se incluyen las normas que cumplen, tipo de medición, y características principales.
Board
ArduinoCaracterísticas
Uno
Se basa en un microcontrolador Atmel ATmega320 de 8 bits a 16Mhz que funciona a 5v. 32KB son
correspondientes a la memoria flash, 2KB de SRAM y 1KB de EEPROM. Las salidas pueden trabajar
entre 7 y 12v. Contiene 14 pines digitales, pueden emplear como 6 PWM y 6 analógicos.
Yun
Se trata de una placa similar a Arduino UNO pero con capacidades nativas para conexión Ethernet,
WiFi, USB y micro-SD. Contiene 20 pines digitales, pueden emplear 7 PWM y 12 analógicos. El
micro controlador trabaja a 5v y tiene una memoria de 32KB.
Leonardo
Es una placa con un micro controlador ATmega32u4 de bajo consumo y que trabaja a 16Mhz. La
memoria flash con capacidad de 32KB. La EEPROM es similar a Arduino UNO en capacidades de
almacenamiento. Este micro controlador tiene 20 pines digitales (7 PWM y 12 pines analógicos).
Due
Es una placa con un micro controlador Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 de 32 bits. Este chips que
trabaja a 84MHz (3,3v). La corriente de los pines se extiende hasta los 130-800mA (para 3v3 y 5v
respectivamente). Dispone de 54 pines digitales, pueden ser usados como 12 PWM y 12 analógicos.
Mega
Tiene un chip ATmega2560 superior al ATmega320 del Arduino UNO. Las características electrónicas
es bastante similar a los anteriores, sobre todo al UNO. Tiene 54 pines digitales (15 de ellos PWM) y
16 pines analógicos. Esta placa tiene más pines y potencia de la que aporta Arduino UNO.
Ethernet
Tiene características electrónicas como las de UNO a diferencia que añade capacidad para conexión
Ethernet y posibilidad de conectar tarjetas de memoria micro SD. Los pines disponibles son 14
digitales (4 PWM) y 6 analógicos.
Fio
Funciona con un micro controlador ATmega328P, esta carece de ciertas comodidades, tiene menor
memoria, necesita usar un cable FTDI o una placa adicional adaptadora Sparkfun para subir los
sketches. 14 pines digitales (6 PWM) y 8 pines analógicos.
Nano
Tiene un micro controlador ATmega168 a 16MHz. Sus dimensiones son 18,5×43.2mm. A pesar de su
tamaño es una placa completa, y necesita de un cable mini-USB, no posee conector de alimentación
externa. A nivel eléctrico se comporta como un UNO, con 14 pines digitales (6 PWM) y 8 analógicos.
22
Tabla 4 Medidores que ofrece la compañía Analog Devices.
Fuente: (Analog Devices)
Para este prototipo se decidió trabajar con el circuito de medición ADE 7763, el cual se compone de un chip integrador digital que hace posible una interfaz con algún sensor de corriente el cual consta de 2 canales (corriente y tensión), cada uno con un amplificador de ganancia programable y con un rango de error menor al 0,1% en la medición de energía. Igualmente, el ADE 7763 cuenta con un sensor de temperatura para ayudar a la medición de energía aparente, energía activa, señal de voltaje y valores eficaces tanto de corriente como de tensión. El ADE 7763 consta de una calibración digital de tensión, fase y una interfaz serial compatible para comunicación SPI, el suministro de tensión debe ser de 5V.
4.4 Elementos de Medición de Corriente
Teniendo claro el medidor de energía a utilizar, es necesario determinar el sensor de corriente adecuado ya que este es de vital importancia en cualquier sistema de medición. Como lo indica (González, 2008) el sensor de corriente convierte la magnitud de corriente de una línea de distribución, a un nivel de corriente equivalente.
Referencia Proporciona Configuración Otras características
ADE 7751
Potencia real instantánea y
promedio basado en el voltaje de
fase y corriente.
Monofásica
Tiene un circuito de ACS y de referencia. Todos los
demás de procesamiento de señal se llevan a
cabo en el dominio digital.
ADE 7753
Energía aparente activa, reactiva,
ajuste de medición de periodo de
tensión , y cálculo RMS de tensión
y corriente
Monofásica
Proporciona interfaz directa con sensores de
corriente di / dt y adaptación de fase precisa entre
los canales de corriente y tensión.
ADE 7754
Energía activa y aparente,
proporciona una interfaz de puerto
serie y una salida de impulsos.
Trifásica
El procesamiento de señal se realiza en el dominio
digital para la estabilidad y la precisión superior;
realiza la medición de energía activa y aparente
ADE 7755
Información de potencia activa en
las salidas de baja frecuencia, La
salida lógica informa potencia
activa instantánea.
Monofásica
Alimentación en AVDD alcanza 4 V, si es inferior a
4 V, se reinicia el ADE y no emite pulsos en F1,
F2 y CF.
ADE 7757
Potencia real instantánea y
promedio basado en el corriente
desfase y tensión.
Monofásica
Es mejor en el circuito oscilador de precisión que
sirve como una fuente de reloj al chip eliminando el
coste de un cristal externo.
ADE 7758
Energía activa reactiva y aparente,
voltaje y corriente RMS, y forma
de onda de la muestra de datos
Trifásica
Interface SPI, cuenta con un registro de muestra
de forma de onda que permite el acceso a las
salidas de ADC.
ADE 7762
Suministros de información de
potencia activa. las salidas lógicas
se pueden utilizar para interactuar
con un micro controlador (MCU).
Trifásica - 3 y 4
hilos
Se asegura que el voltaje y la corriente están en
fase, el umbral de no carga interna asegura que no
se presente ninguna fluencia cuando no hay carga.
ADE 7763
Energía activa y aparente, forma
de onda muestreada, corriente y
tensión RMS
Trifásica
Error de menos de 0,1% en la medición de energía
activa, calibración digital de tensión, interfaz serial
compatible con SPI.
Medidores de energía - Analog devices
23
En el mercado existen diferentes tipos de sensores que se usan para la medición de corriente, los cuales se diferencian en su rango dinámico y ancho de banda, es por esto que los cuatro tipos de sensores más comunes son:
4.4.1 Resistencia Shunt
Brinda una medida precisa y directa de la corriente, pero no ofrece un buen aislamiento. Uno de sus principales problemas como lo indica (González, 2008), es que la corriente Shunt es un elemento resistivo, el calor generado en la resistencia es proporcional a la corriente que pasa a través de ella.
4.4.2 Transformador de Corriente (TC)
Es el sensor más común ya que consume poca energía y no necesita circuitos adicionales. Sin embargo, el material usado en el núcleo se puede saturar cuando la corriente primaria es muy alta o cuando hay un componente importante de DC. (Koon, 2001).
4.4.3 Sensor de Efecto Hall
El principio de este sensor se basa en la caída de tensión a través de un conductor con corriente, bajo la influencia de un campo magnético externo perpendicular a la dirección del flujo magnético (Koon, 2001).
4.4.4 Bobina Rogowski
Este sensor consta de una bobina enrollada en un núcleo de material no magnético que produce una señal de tensión proporcional a la derivada de la corriente. El beneficio adicional de la implementación digital es la mayor estabilidad durante los cambios en el tiempo y fenómenos ambientales. (Koon, 2001).
Para esta aplicación se utilizará un sensor de corriente de efecto hall debido a que el tamaño de la bobina Rogowski y el transformador de corriente es comparable con este, adicionalmente el calentamiento de la Resistencia Shunt no la hace una opción muy viable. El sensor de corriente seleccionado es la tarjeta ACS 714, principalmente por estas razones:
Ofrece diferentes rangos de medición de corriente, entre los que se encuentran ±5, ±20, ±30 A,
Opera con una fuente sencilla de 5V.
Tensión de salida proporcional a la corriente AC o DC.
Este sensor ofrece diferentes rangos de medición de la corriente, por lo cual fue necesario determinar el rango de corriente adecuado dejando un margen en caso de una sobre corriente o falla, tanto para la salida de alumbrado y la plancha eléctrica seleccionando el sensor de 5A y 20A respectivamente.
4.5 Elementos de Medición de Tensión.
El divisor de tensión es un método de medida diseñado para medir altas tensiones, es un circuito que reparte la tensión de una fuente entre dos o más impedancias conectadas en serie, se compone por elementos pasivos como
24
resistencias y condensadores que ayudan a medir señales de tipo impulso, corriente directa y corriente alterna. (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2010) Así pues, analizando la clasificación de los divisores de tensión se decidió trabajar con un divisor resistivo.
Principalmente se decidió trabajar con este divisor para cada uno de los prototipos debido a que es posible medir señales en corriente directa y corriente alterna a bajas frecuencias, igualmente proporciona seguridad a los instrumentos de medida ya que estos están diseñados para medir en baja tensión.
4.6 Ethernet
Ethernet, es la tecnología de red de área local (LAN) más utilizada, fue diseñada para llenar el vacío que existía entre las redes de larga distancia, las redes de baja velocidad y las redes especializadas en salas de computadores que transportan datos a altas velocidades y en distancias muy pequeñas. Ethernet se ajusta a aplicaciones en las que los medios de comunicación locales deben llevar un tráfico muy denso con datos altamente empaquetados (Gracia Marin, 2016).
Así pues, la metodología usada en el diseño de este proyecto se dividió en analizar los cuatro tipos de tarjetas que pueden proporcionar conexión a internet al Arduino® considerando características como el precio, dimensiones, velocidad de transferencia de datos, entre otras, como se observa en la Tabla 5.
Tabla 5 Comparación Ethernet en el mercado
Fuente: Arduino, 2015 & Sigma Electrónica, 2015
En este caso, inicialmente se optó por escoger dos tipos de tarjetas para analizarlas y definir la mejor opción, se escogieron las placas Ethernet Shield y ENC28J60 principalmente por su bajo costo, al realizar las pruebas iniciales para el ENC28J60 este se comportó de manera adecuada, a medida que el código aumentaba la velocidad de este no realizaba de la manera esperada el proceso, debido a que esta placa se usa para proyectos básicos. En cambio, el Ethernet Shield ayudo a una mejor manipulación de datos de forma remota, esto se debe a que esta placa proporciona un mejor envió y recepción de datos. Analizando cada
Referencia
Requiere
Placa
Arduino
Tensión de
Funcionami
ento
Precio
Boards
Arduino
Compatibles
Dimension
es
Velocidad
de
Conexión
Otros
Disponible
en
Colombia
WiFi Shield Si 5V $ 353.800 Todas69mm x
54mm
Conexión
vía Red
802.11b/g.
Basado en el
dispositivo HDG104. Conexión
con Arduino a través de SPI.
Socket para insertar tarjeta de
memoria micro SD.
Si
ENC28J60 Si 5V $ 8.700 Uno, Mega y
Nano
30mm x
24mm10Mb
Puede conectarse a internet por
el controlador Ethernet
ENC28J60, tiene código abierto
para protocolos TCP / IP
Si
Ethernet
ShieldSi 5V $ 30.000 Todas
73mm x
54mm x
17mm
10/100Mb
Permite conexión a internet,
tiene un chip Wiznet W5100,
ofrece red (IP) Tiene conexión
RJ-45 estándar.
Si
Escudo GSM
ArduinoSi 5V $ 270.000
Hasta el
momento
Arduino Uno
76mm x
54mm x
14mm
85,6 Kb
Puede hacer y recibir llamadas
de voz y enviar y recibir
mensajes SMS. Requiere una
tarjeta SIM
Si
25
uno de los ítems para cada placa Ethernet, se decidió trabajar con la placa Ethernet Shield.
4.7 Sensor de Movimiento
En cuanto al sensor de movimiento y presencia, que exclusivamente se usara para la salida de alumbrado, existen varios tipos y tecnologías en el mercado, uno de ellos es el sensor de movimiento pasivo infrarrojo también conocido como sensor PIR (Passive Infra Red). Es un dispositivo que mide cambios en los niveles de radiación infrarroja emitida por un objeto localizado a cierta distancia (Vega, Salgado, Lagos, Tapia, & Sánchez, 2014).
La metodología usada en el diseño de este proyecto aquí presentado se dividió en analizar cinco tipos de sensores, teniendo en consideración características eléctricas, precio, ángulo de detección de personas, entre otras, como se puede observar en la Tabla 6.
Tabla 6 Características sensores de movimiento disponibles en el Mercado
Fuente: Sigma Electrónica, 2015
Así pues, analizando cada uno de los ítems par cada sensor PIR, se decidió trabajar con el sensor PIRHC-SR501, principalmente por su bajo costo y porque brinda la posibilidad de ajustar el tiempo de alto y el tiempo de espera, lo cual es necesario para la aplicación de la salida de alumbrado.
4.8 Sensor inercial
En cuanto al sensor de posición necesario para este proyecto el cual se usara exclusivamente para el prototipo de la plancha eléctrica, se analizaron principalmente los sensores inerciales que se basan en las variaciones de aceleración y velocidad angular que son obtenidas mediante acelerómetros los cuales dejan conocer la aceleración que se produce al realizarse un movimiento a lo largo del eje en el cual se esté trabajando, así mismo, el giroscopio ayuda a conocer como varia un ángulo en el tiempo. (Espín, 2010)
ReferenciaTensión de
Operación
Tensión
de SalidaPrecio
Ángulo de
DetecciónDimensiones Otros
Disponible
en
Colombia
555-28027 5VDC 3-6 VDC $46.400 <100°
32.2mm x
24.3mm x
25.4mm
Detecta el movimiento por los
cambios en los niveles infrarrojos
emitida por los objetos.
Si
HC-SR501 5VDC 0-3.3 VDC $10.500 <100°32mm x
24mm
Puede ajustar el tiempo en alto y
tiempo de espera después de
accionado.Si
HC-SR505 4.5-20VDC 0-3.3VDC $11.600 <100°10mm x
23mm
Diseñado con aspecto pequeño,
excelente sensibilidad, fiabilidad y
estabilidad.Si
SE-10 5-12VDC 5VDC $27.000 <100°35.4mm x
30.6mm
Detecta los movimientos
producidos en un espacio de 6m
con un tiempo de respuesta de 2
seg.
Si
AAS01SBC
G2.7-3.6VDC 5VDC $35.000 <60°
25.5mm x
16.7mm x
9.5mm
Integrado por un sensor infrarrojo
pasivo, aplicaciones en control de
iluminación.
Si
26
Según lo anterior la metodología usada en esta parte del prototipo se dividió en el análisis de seis tipos de acelerómetros, giroscopios o acelerómetro-giroscopio, teniendo presente características eléctricas, precio, numero de ejes, entre otras, como se puede observar en la Tabla 7.
Tabla 7 Características sensores inerciales disponibles en el Mercado
Fuente: autores
Estos sensores inerciales analizados pueden funcionar de tres maneras diferentes, a partir de únicamente el giroscopio, únicamente el acelerómetro y mediante una fusión sensorial entre el giroscopio y el acelerómetro. Así pues, analizando cada dispositivo, se decidió trabajar con el sensor acelerómetro-giroscopio MPU-6050 principalmente porque tiene en su interior una fusión entre los dos sensores lo que aprueba tener un margen de error en la medida mucho menor que al utilizar un acelerómetro o un giroscopio únicamente, con esto se pueden tomar las mejores características de cada uno y lograr así un manejo mucho más sencillo con Arduino®.
4.9 Actuador
El relé se define como el dispositivo que sirve para producir ciertas modificaciones, cuando hay ciertas condiciones en un circuito eléctrico que influyen sobre él. Muchos son los dispositivos eléctricos que cumplen con esta definición, desde: Relés electromecánicos: que es un interruptor mandado a distancia que vuelve a la posición de reposo cuando la fuerza de accionamiento deja de actuar sobre él; Contactores: su funcionamiento se basa en el mismo principio del relé a diferencia que está diseñado para trabajar como un interruptor automático, con corrientes y tensiones más elevadas; Relés electrónicos: son compactos, es decir, no llevan partes móviles e incluso están diseñados por una sola pieza con varios terminales,
Referencia # de EjesFuente de
AlimentaciónPrecio
Compatible
con ArduinoDimensiones Peso Otros
Disponible
en
Colombia
L3GD20 3 3.3VDC $23.200 Si25mm x
15mm x 4mm4 g
Permite usar el giroscopio fácilmente
en protoboard, PCB o tarjeta Arduino. Si
MMA7455 3 2.4-3.6VDC $24.500 Si24.9mm x
12.7mm5 g
Detección de nivel para el
reconocimiento de movimiento,
sensibilidad seleccionable, diseño
robusto.
Si
MPU-6050 3 3.5VDC $21.000 Si
21mm x
15mm x 1.2
mm
3 g
Es una tarjeta acelerómetro y
giroscopio para Arduino y
Controladores.
Si
ADXL335 3 1.8-3.6VDC $38.000 Si
19mm x
19mm x
3,14mm
1,27 g
Viene con salidas analógicas para ejes
X, Y y Z. Las salidas analógicas son
radiométricas.
Si
ADXL345 3 2-3.6VDC $39.100 Si5mm x 3mm x
1mm30 mg
Resolución seleccionable, detección
de caída libre, modos de interrupción
asignables.
Si
LIS3LV02DL 3 2.2-3.3VDC $32.500 Si30mm x
19mm4 g
Los datos de salida pueden ser
programables, tiene una interrupción
que se activa por movimiento, soporta
fuertes impactos.
Si
27
entre estos se encuentran los Triacs que pueden trabajar tanto en CA como en CC, pero no van a detener el flujo de corriente a menos que ésta caiga por debajo de un nivel de umbral. (París, 2003)
Analizando todo lo anterior se decidió trabajar con los relés electromecánicos relé TQ2-5V para la salida de alumbrado, el cual tiene una tensión nominal de 5V y debido a su diminuto tamaño es viable para el prototipo, así mismo, se optó por un relé SFK-112DM para la plancha eléctrica, el cual soporta hasta 20 A. Esto debido a que al usar un contactor es indispensable dotar a estos con sistemas de separación de contactos lo cual no es beneficioso en cuanto al tamaño y además porque las corrientes y tensiones a utilizar no son tan elevadas lo cual sería un sobredimensionamiento del contactor, igualmente no es viable utilizar un conmutador de potencia como un tiristor o un triac debido a que se basaría en un circuito de potencia y otro de control.
A continuación, se muestra un resumen de los elementos seleccionados para los prototipos según lo anterior.
28
Figura 3 Elementos seleccionados para los prototipos
Fuente: Sigma Electrónica, 2015 & Arduino, 2015 & Demystifying robotics, 2014
Salida
alumbrado Plancha Imagen
Adaptador Comunicación
PLC Powerline AV500 Nano
Micro Controlador
Arduino Nano
Sensor de Medición de
Energía ADE 7763
Sensor de Medición de
Corriente ACS 714
Elemento de Medición de
Voltaje Divisor Resistivo
Comunicación Ethernet
Placa Ethernet Shield
Sensor de Movimiento
PIRHC-SR501
Sensor Inercial
MPU 6025
Actuador
Relé TQ2-5V
Relé SFK-112DM
29
5 Descripción de los prototipos
A continuación se describen los dos prototipos propuestos para la gestión energética de una salida de alumbrado y una plancha eléctrica: cada uno se compone de un hardware que cumplirá la función de unidad central, es decir, llevar toda la información a la web de forma segura; adicionalmente, se desarrolló un software para cada uno de los dispositivos, que servirá como interfaz gráfica para el usuario, permitiéndole realizar funciones de gestión, monitoreo y control de cada uno de estos prototipos desde cualquier aparato electrónico y cualquier lugar que cuente con el acceso a internet.
El sistema es capaz de medir diferentes parámetros eléctricos como tensión, corriente y energía, y así relacionar el consumo de energía a cada prototipo, estos estarán conectados a cualquier toma eléctrica de la vivienda, la información es enviada a través de la red eléctrica de la casa hacia un router, el cual enviará toda la información recolectada por el hardware a la web, permitiendo al usuario tomar decisiones para racionar su consumo y reducir los costos asociados.
5.1 Salida de Alumbrado
En la Figura 4 se expone el esquema de la salida de alumbrado, este consta de la toma de las señales de tensión y corriente, adecuación de las mismas, medidor de energía, Ethernet y actuador, ubicados dentro de la salida de alumbrado, utilizando la comunicación por línea de potencia PLC y con el router de la vivienda se suministra conectividad a nivel de red, con el fin de enviar y recibir paquetes de datos entre subredes. Con esto se ofrece acceso remoto a la salida de alumbrado desde cualquier computador conectado a internet, brindándole al usuario la posibilidad de controlar el encendido y apagado remotamente.
30
Figura 4 Esquema salida alumbrado
Fuente: autores
31
5.1.1 Software (Página Web)
Se desarrolló una aplicación web realizada en Php que es un lenguaje adecuado para el desarrollo web y que puede ser alojado en HTML, funcional para cualquier tipo de dispositivo electrónico que cuente con acceso a internet, esta aplicación esta principalmente orientada a realizar las labores de gestión, monitoreo y control, proporcionando al usuario, información real relacionada con las medidas efectuadas dentro de cada uno de los prototipos, el ingreso a esta página web se realiza por medio de una dirección IP pública en la cual solo se habilita el ingreso a los usuarios que tengan una contraseña predeterminada, igualmente, cuenta con la opción de seleccionar el modo de funcionamiento del dispositivo según sea el caso.
5.1.1.1 Modos de funcionamiento
Este dispositivo una vez conectado, se comunica por medio de la red eléctrica con el router de la casa, recopilando la información del consumo, y llevándola al usuario a través de internet; para establecer esta comunicación, el dispositivo cuenta con el módulo Ethernet Shield previamente seleccionado. Este dispositivo tiene tres modos de funcionamiento: Manual, Semiautomático y Automático.
5.1.1.1.1 Modo Manual
Este modo consiste en que el encendido y apagado se efectúe de forma remota desde la página web, a través de un aparato electrónico con internet, visualizando su comportamiento en tiempo real. De igual forma cuenta con la opción que el encendido y apagado, se realice por medio de un interruptor en la vivienda.
5.1.1.1.2 Modo Semiautomático
Este modo consiste en que el encendido y apagado se realice de forma remota desde la página web, es decir, desde cualquier aparato electrónico con internet, visualizando su comportamiento en tiempo real, encendiendo y apagando la salida de alumbrado al detectar movimiento.
5.1.1.1.3 Modo Automático
Este modo consiste en que el apagado se realiza sin necesidad de un interruptor o de un ingreso remoto, en este caso el sensor de movimiento, se apagará de forma automática después de pasada media hora sin detectar movimiento.
5.2 Plancha eléctrica
En la Figura 5 se presenta de manera gráfica, el esquema de la plancha eléctrica que es similar al desarrollado para la salida de alumbrado en el cual se toman y adecuan las señales medidas, de igual manera se utiliza un actuador y el Ethernet con el PLC para realizar la transmisión de datos, variando el actuador y el sensor implementado que se ubica en el interior, lo cual significa que para el prototipo de la salida de alumbrado se utiliza el sensor PIR el cual está ubicado en la parte exterior con el fin de identificar la presencia de una persona. Por el contrario, para el prototipo de la plancha se utilizó el sensor MPU con el fin de conocer la posición y el estado de la misma ubicándolo con los demás componentes en el interior,
32
simultáneamente se realizó una variación del relé dado que la corriente que debía proporcionar el Arduino® era mayor a los 20mA, por esto se realizó un circuito de adecuación utilizando un transistor.
33
Figura 5 Esquema plancha
Fuente: autores
34
5.2.1 Software (Página Web)
5.2.1.1 Modos de funcionamiento
Este dispositivo, podrá ser conectado a cualquier tomacorriente de la vivienda, lo que hace que el proceso de instalación sea muy sencillo. Una vez conectado, se comunicará por medio de la red eléctrica con el router de la casa, recopilando los datos del consumo de la plancha eléctrica, llevando así la información al usuario a través de internet; para establecer esta comunicación, el dispositivo cuenta con el módulo Ethernet Shield previamente seleccionado. Este dispositivo tendrá dos modos de funcionamiento: Manual y Automático.
5.2.1.1.1 Modo Manual
Este modo consiste en que el apagado se pueda realizar de forma remota, es decir, desde cualquier aparato electrónico con internet, visualizando comportamiento en tiempo real y posición (acelerómetro-giroscopio), si la plancha se encuentra en posición vertical u horizontal el usuario por medio de la página web podrá observar la posición y tomar acciones sobre esta.
5.2.1.1.2 Modo Automático
Este modo consiste en que el encendido y apagado se realiza sin necesidad de un ingreso remoto o de forma manual, en este caso se usó el acelerómetro-giroscopio previamente descrito, si se encuentra encendido en posición horizontal y sin moverse pasados 5 minutos se apagara de forma automática, al igual que si está en posición vertical y sin movimiento después de transcurridos 10 minutos.
Teniendo en cuenta que la gestión energética consiste en la optimización del uso de la energía buscando un uso racional y eficiente, sin disminuir el nivel de prestaciones. Los modos de funcionamiento anteriormente nombrados permiten que los usuarios conozcan cuanto y cuando se consume energía eléctrica en cada uno de los prototipos, contribuyendo a mejorar sus hábitos sin disminuir el confort, como apagando la salida de alumbrado cuando no está en uso, activando el sensor de movimiento en lugares como pasillos o espacios de la vivienda donde los habitantes transitan sin que su permanencia dure un tiempo prolongado, o al apagarse de forma automática la plancha eléctrica después de un determinado tiempo sin uso, alcanzando altos niveles de eficiencia energética.
35
6 Diseño e implementación de los prototipos
En el siguiente capítulo se expondrán dos secciones importantes en el desarrollo del proyecto, en primer lugar se explicará el Diseño Hardware utilizado en los prototipos, esto inicia con la comunicación del ADE 7763, en la cual se relaciona la forma de acoplamiento con Arduino®, para lograr comunicación por medio de SPI, otra parte importante del capítulo se muestra con el proceso de calibración de los parámetros eléctricos a monitorear para el prototipo de la salida de alumbrado y de la plancha eléctrica, así mismo, se explica el proceso de calibración del sensor acelerómetro-giroscopio utilizado para la plancha eléctrica. Seguido a esto se expondrá la manera en que se realizó la comunicación Ethernet entre Arduino® y la placa Ethernet Shield con el fin de modificar salidas, en este caso encendido y apagado desde cualquier lugar y dispositivo móvil a través de un modo WebClient que se conectara a una página web por medio de consultas GET. Por último, en la sección de Diseño de Hardware se explicará la metodología para realizar el acoplamiento del Sensor PIR para la salida de alumbrado y el Sensor Acelerómetro-Giroscopio para la plancha eléctrica.
En segundo lugar se detallará el Diseño del Software realizado a cada uno de los prototipos, en este caso basados en un servidor HTTP que sirve para el diseño del servidor Web, ayudados del sistema de gestión de base de datos MySQL y complementándolo con el lenguaje de programación PHP para producir los sitios web dinámicos de cada prototipo, en este capítulo se explicaran códigos, tablas y figuras realizadas en estas plataformas, para finalmente mostrar el resultado de los modos de funcionamiento de cada prototipo y de la interfaz gráfica de las páginas web.
6.1 Diseño hardware
El hardware de fuentes abiertas, se hace disponible públicamente para que cualquier persona lo pueda estudiar, modificar, distribuir, materializar y vender, dando libertad de controlar la tecnología, como es el ejemplo de la plataforma de prototipo electrónico Arduino® (Lazalde, Torres, & Vila, 2015). En este proyecto se trabaja con la placa Arduino® debido a su disponibilidad en el mercado y sus múltiples funcionalidades.
Con este hardware libre se realizaron las respectivas medidas eléctricas verificando la calidad de los resultados, como lo indica (Osorio, 2015) en su investigación. Es por esto que se realizaron diferentes ensayos, a fin de determinar la calidad de la medida de energía eléctrica, de tal manera que se garantice un correcto funcionamiento del equipo y con ello la calidad del servicio.
6.1.1 Comunicación ADE
El ADE 7763 cuenta con la interfaz SPI (Serial Peripheral Interface) que es fundamentalmente un bus de comunicación a nivel de circuitos integrados. El bus SPI se definirá mediante 4 pines, los cuales son:
36
SCLK o SCK: Este pin es la señal de reloj del bus. Esta señal se encarga de regir la velocidad a la que se transmite cada bit.
MISO (Master Input Slave Output): Este pin es la señal de entrada a nuestro ADE 7763, por aquí se reciben los datos desde el otro integrado (Arduino).
MOSI (Master Output Slave Input): Este pin se encarga de la transmisión de datos hacia el otro integrado (Arduino).
SS o CS (Chip Select o Slave Select): Este pin habilita el integrado hacia el que se envían los datos. Esta señal es opcional y en algunos casos no es necesario usarlo.
Las principales ventajas de la comunicación SPI es que tiene una comunicación Full-Duplex, es simple y utilizado en los integrados, tiene velocidades de comunicación relativamente elevadas (Arduino hasta 8 MHz), completo control sobre la trama de bits al no exigir direccionamiento ni ACK. No obstante, también tiene sus desventajas debido a que no existe control del flujo por hardware, ni confirmación de la recepción (no sabemos si el mensaje a llegado al destino), de igual forma usa más pines que otros buses, ya que necesita uno por cada esclavo, además solo funciona a distancias cortas.
Es importante entender el funcionamiento de la comunicación SPI la cual empieza cuando se habilita el chip al que hay que enviar la información mediante el CS, como se dijo anteriormente este es opcional cuando solo se va comunicar con un único dispositivo, seguidamente se carga en el buffer de salida el byte a enviar, continuamente la línea de Clock empieza a generar la señal cuadrada donde normalmente por cada flanco de bajada se pone un bit en MOSI, y por último el receptor normalmente en cada flanco de subida captura el bit de la línea MISO y lo incorpora en el buffer. Para la transmisión de un byte este proceso se debe desarrollar 8 veces.
Arduino® cuenta con una librería SPI que ofrece 4 modos para dicha comunicación como se muestra en la Figura 6, en la parte superior derecha se evidencia que la señal del MOSI comienza en un nivel alto y el reloj por el contrario en un nivel bajo, adicionalmente la señal del MOSI se encuentra adelantada con respecto al reloj, en la esquina superior derecha las dos señales tanto MOSI como reloj empiezan en un nivel bajo, en la parte inferior izquierda por el contrario las dos señales empiezan en un nivel alto, por último en la parte inferior derecha se distingue que la señal del reloj empieza en un nivel alto y la señal del MOSI en un nivel bajo.
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Figura 6 Modos SPI Arduino
Fuente: autores
Considerando la ficha de datos del medidor ADE 7763 (Analog Devices, 2013),
en el cual se establecen unos tiempos para la comunicación serial SPI como se
muestra en la Figura 7 y Figura 8, el primer paso es la escogencia del modo que
cumple con las características dadas por el fabricante en donde el reloj comienza
en un nivel bajo y el MOSI puede empezar en un nivel alto o bajo, es por esta
razón que se seleccionó el modo 1 que ofrece la librería SPI de Arduino,
seguidamente se midieron los tiempos del reloj asociado al Arduino utilizando un
osciloscopio, de tal forma que cumplieran con los tiempos establecidos por el
fabricante que se observan en la Tabla 8.
Figura 7 Tiempos de Comunicación ADE 7763 Escritura
Fuente: (Analog Devices, 2013)
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Figura 8 Tiempos de Comunicación ADE 7763 lectura
Fuente: (Analog Devices, 2013)
Tabla 8 Tiempos de comunicación
Fuente: (Analog Devices, 2013)
Con ayuda de la herramienta ISIS de PROTEUS, se simulo la board de Arduino
nano como se muestra en la Figura 9, lo primero que se realizo fue revisar que los
tiempos de la comunicación cumplieran con lo requerido por el fabricante. Como
se observó anteriormente el pin 13 de la placa es el SCLK, el pin 10 es SC y el pin
11 es MOSI, correspondientes a las señales de color amarilló, azul y rojo del
osciloscopio. Las señales obtenidas se pueden observar en la Figura 10 y la
Figura 11, en donde se evidencia que el selector pasa de un pulso alto a bajo,
además se cumplen que t1 es mayor a 50ns y t2 es 120ns que corresponde al
ancho del pulso alto, t3 es 120ns que corresponde al ancho del pulso bajo, t4 es
24ns que corresponde a la validación de la configuración de datos antes del borde
de SCLK, t5 es mayor a 5ns, t6 es 6,12us, t7 es 4.12us, t8 es 9.63us.
Spec unidades Condiciones de prueba / Comentarios
t1 50 ns min CS flanco a flanco de bajada primera SCLK.
t2 50 ns min SCLK lógica ancho de pulso alto.
t3 50 ns min SCLK lógica ancho de pulso bajo.
t4 10 ns min Válido tiempo de configuración de datos antes de caer borde de SCLK.
t5 5 ns min Retención de datos de tiempo después de flanco descendente SCLK.
t6 4 μs min Tiempo mínimo entre el final de las transferencias de bytes de datos.
t7 3200 ns min Tiempo mínimo entre bytes transferidos durante una escritura en serie.
t8 100 ns min CS tiempo de espera después de flanco descendente SCLK.
t9 4 μs min
t10 50 ns min Tiempo mínimo entre bytes de datos transferidos durante una lectura de varios bytes.
t11 30 ns min
t12 100 ns min Bus renunciar a tiempo después de caer borde de SCLK.
10 ns min
t15 100 ns min Bus renunciar a tiempo después de flanco ascendente de CS.
10 ns min
Lectura de sincronización
Tiempo mínimo entre comando de lectura (en, una escritura al registro
de la comunicación) y lectura de datos.
Los datos de tiempo de acceso después de flanco ascendente SCLK
siguiente una escritura en el registro de la comunicación.
Escritura de incronización
Parametros
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Figura 9 Conexión simulación
Fuente: autores
Figura 10 Tiempos de comunicación simulados 1
Fuente: autores
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Figura 11 Tiempos de comunicación simulados 2
Fuente: autores
Las señales que se muestran a continuación fueron tomadas con un osciloscopio
digital marca RIGOL. En la Figura 12 t1 es mayor a 50ns en este caso es 1.44 µs.
Para el ancho de banda del pulso alto t2, el cual se puede observar en la Figura
13 es de 120 ns. Para el ancho de pulso bajo se recomienda que este tiempo sea
mayor a 50 ns como se observa en la Figura 14 este tiempo es 120 ns, igualmente
para la Figura 15 t4 corresponde a 24 ns, t5 se observa en la Figura 16 que
corresponde a 8 ns, t6 debe ser mayor a 4 µs, este se muestra en la Figura 17,
como se observa hay una pequeña diferencia con respecto a la simulación de
aproximadamente 0,56 µs esto se puede deber a que el osciloscopio no tiene una
exactitud del 100% en su medición, por el ruido que se presenta en la sonda. Por
último para t7 y t8 se deben tener unos tiempos mayores a 3,2µs y 100ns
respectivamente, como se observa en la Figura 18y la Figura 19, estos
corresponden a 4,8µs y 10µs, los cuales difieren de la simulación debido a que se
utilizó una sonda de atenuación
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Figura 12 t1
Fuente: autores
Figura 13 t2
Fuente: autores
Figura 14 t3
Fuente: autores
Figura 15 t4
Fuente: autores
Figura 16 t5
Fuente: autores
Figura 17 t6
Fuente: autores
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Figura 18 t7
Fuente: autores
Figura 19 t8
Fuente: autores
Paso siguiente a la comprobación de los tiempos se determina la comunicación
entre el software Arduino y el medidor de energía ADE7763, con ayuda de un
código previamente elaborado se pregunta el estado del registro 0x16
(0b00010110), este registró corresponde al valor RMS de la corriente, cabe aclarar
que este es un registro de solo lectura, sin embargo es necesario comprobar todos
los registros que nos proporciona el fabricante para verificar que no se tiene
ninguna falla en la comunicación ya sea de 1, 2 o 3 bytes, para esto se realizó el
siguiente montaje que se observa en la Figura 20.
Figura 20 Conexión ADE y Arduino en PROTEUS
Fuente: autores
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Como se observa en la Figura 21 la señal de MISO (Master Input Slave Output)
es bastante adecuada para la comunicación, esta señal como se dijo
anteriormente es la señal de entrada al ADE 7763, igualmente en la Figura 22 se
muestra la señal de t11 equivalente a 48 ns, basados en la Tabla 8 este debe ser
mayor a 30ns. Por último t12 se puede observar en la Figura 23 que es de 64 ns,
según el fabricante y sus recomendaciones este tiempo debe ser mayor a 10ns y
menor a 100ns lo cual es bastante adecuado en este caso.
Figura 21 MISO
Fuente: autores
Figura 22 t11
Fuente: autores
Figura 23 t12
Fuente: autores
6.1.2 Calibración Medidas Eléctricas
Para la calibración de tensión y corriente se utilizó un Multímetro Digital Rigol
DM3068 de 6 ½ Dígitos equivalente a la resolución
con un rango de
cuentas entre 0 -1999999, precisión del 0,0035%, los rangos para la tensión y corriente alterna son de 0 a 787,5 V y 0 a 10,5 A. Éste cuenta con pantalla para la visualización de los datos y es capaz de realizar medidas de voltaje, corriente, tanto alterna como directa, además de frecuencia, capacitancia entre otros.
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Por otra parte para la medición de energía se utilizó el PQA824, este es un analizador de redes para la medida que cumple con la norma EN 50160 (HT instruments, 2016), tiene un rango de 0,0 a 999,9 Wh y resolución de 0,1 para corrientes menores a 1 A y resolución de 0,0001K para corrientes menores a 10 A, este equipo es clase 2 y la temperatura de trabajo es de 0 a 40 ºC, el PQA utilizado fue calibrado el día 13 de febrero de 2014. Éste permite guardar un registro de energía.
Este proyecto se basó en primera medida en el desarrollo de un circuito de pruebas en váquela (Figura 24), en la cual se realizó el acoplamiento de la placa Ethernet y los actuadores, adicional a la comunicación SPI para la medición de Tensión, Corriente y Energía, con el anterior acoplamiento utilizando la herramienta Proteus se diseñaron las placas PCB para cada prototipo teniendo en cuenta la compatibilidad electromagnética en los caminos evitando ángulos de 90°, de igual forma se incluyeron conectores, fuente de alimentación para Arduino y sensores, este diseño se puede evidenciar en el anexo 11.5 y 11.6.
A continuación se mostrara la calibración de cada prototipo y el circuito de prueba inicial.
Figura 24 Prototipos
Figura 24.1 Váquela
Figura 24.2 Salida de Alumbrado
Fuente: autores
Figura 24.3 Plancha Eléctrica.
6.1.2.1 Calibración Tensión
Para la calibración de tensión se tuvo en cuenta que la entrada de tensión máxima entre los pines 6 y 7 del ADE es de 500 mV, no obstante, cabe aclarar que el ADE 7763 tiene en su interior una protección contra descargas en donde puede soportar hasta 5V sin sufrir daños. Se realizó un divisor resistivo el cual se simuló en la herramienta Proteus, asegurando que la tensión se encuentra dentro del límite especificado consiguiendo 230 mVrms, para una entrada de 140 Vrms.
Tanto para la salida de alumbrado, plancha y el circuito de pruebas anteriormente mencionadas se realizó una comparación de los valores medidos por el PQA y el intervalo mostrado en el monitor serial de Arduino® para diferentes valores de tensión, como se indica en la Tabla 9.
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Tabla 9 Calibración tensión
Tabla 9.1 Váquela
Tabla 9.2 Salida de alumbrado PCB
Tabla 9.3 Plancha eléctrica.
Fuente: autores
Como se visualiza los valores medidos con el multímetro de precisión y los arrojados por el Arduino® no son similares, sin embargo tienen un comportamiento lineal por lo cual se realizaron regresiones lineales, como se aprecia en la Figura 25, luego de esto se complementó el código con la ecuación obtenida para cada caso.
Figura 25 Regresión tensión
Figura 25.1 salida de alumbrado
Figura 25.2 Plancha eléctrica
Fuente: autores
Posteriormente se adicionó en el programa de Arduino® una línea en la cual se realiza esta operación al valor leído de tensión por el Arduino®, en el caso de la salida de alumbrado fue: voltaje=voltaje*0.037-3.359 y en el de la plancha voltaje=voltaje*0.0363-2,196. Se debe agregar que para valores de 0 el Arduino®
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arrojaba valores menores a 5 de manera que se adicionó una condición utilizando “If” and “else”, en la que, si el valor leído era menor a 5 mostrar 0, de lo contrario mostrara el valor leído.
6.1.2.2 Calibración corriente
Para la calibración de corriente de los dispositivos se tuvo en cuenta la entrada de corriente entre los pines 4 y 5 del ADE 7763 (Figura 26), el fabricante en su hoja de especificaciones utiliza un sensor de corriente tipo di/dt, por lo cual fue necesario realizar un cambio debido a que se va a utilizar un sensor de efecto hall el cual maneja un offset de 2.5 V. En la Figura 27 se observan las señales obtenidas en la simulación, la señal de color amarillo hace referencia a la salida del ACS 5A con una amplitud de 925mV suponiendo una entrada de 5A y la señal de color azul hace referencia a la entrada de los pines 4 y 5 del ADE 7763 cuyo valor varía entre 420 mVrmsAC y 520 mVdc, cumpliendo el requerimiento dado por el fabricante.
Figura 26 Entrada canal 1
Fuente: autores
Figura 27 Señal divisor de corriente
Fuente: autores
Siguiendo los mismos procedimientos anteriores para la calibración de tensión se realizó la comparación de los valores medidos por el PQA y el intervalo mostrado en el monitor serial de Arduino®, considerando diferentes valores de corriente, como se denota en la Tabla 10.
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Tabla 10 Valores obtenidos para la calibración de corriente
Tabla 10.1 váquela sensor 20 A
Tabla 10.2 Salida alumbrado
Tabla 10.3 Plancha eléctrica
Fuente: autores
Igualmente fue necesario realizar regresiones lineales entre los valores del multímetro y el promedio de los valores arrojados por Arduino®, como se expresa en la Figura 28.
Figura 28 Regresión Corrientes
Figura 28.1 Salida alumbrado
Figura 28.2 Plancha eléctrica
Fuente: autores
A continuación de realizar esta regresión, se modificó el código con el fin de conseguir la calibración adecuada de corriente, sin embargo, se observó que las mediciones tenían un error considerable, mayor al 10% en algunos casos, por lo cual se decidió realizar una segunda regresión en ambos prototipos, obteniendo para la salida de alumbrado el algoritmo: corriente= (corriente*0.001-0.023) *1.05 y para la plancha eléctrica: corriente= (corriente*0.001-0.032) *1.836+0.026. De igual manera se adicionó el condicional “If” que muestra corriente igual a cero para
min max Promedio
0 24 25 24,5
1,11 1076 1086 1081
1,2 1159 1162 1160,5
1,3 1254 1257 1255,5
1,4 1353 1356 1354,5
1,5 1452 1455 1453,5
1,6 1547 1551 1549
1,7 1642 1647 1644,5
1,8 1741 1746 1743,5
Corriente
multímetr
Corriente arduino [A]
min max Promedio
0,00 11 28 19,5
1,32 723 736 729,5
1,43 791 796 793,5
1,51 836 839 837,5
1,61 892 894 893,0
1,70 946 949 947,5
1,81 1005 1009 1007,0
Corriente
multímetro
Corriente Arduino [A]
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valores menores de 0.02 y 0.36 en la salida de alumbrado y plancha respectivamente.
6.1.2.3 Calibración energía activa
Debido a que el ADE 7763 registra los valores de energía y no de potencia, los valores que se obtuvieron en el monitor serial del Arduino® tenían un aumento a medida que transcurría el tiempo. Para poder calibrar la medición de energía activa fue necesario comenzar y finalizar de forma simultánea la medición del PQA y del monitor serial.
En primer lugar se realizó una comparación de los valores arrojados por el PQA y el intervalo del monitor serial de Arduino® a diferentes valores de energía, obteniendo los valores que se muestran en la Tabla 11.
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Tabla 11 Valores obtenidos para la calibración de energía activa
Tabla 11.1 Salida de alumbrado
Tabla 11.2 Plancha eléctrica váquela
Fuente: autores
Igualmente como las calibraciones anteriores, se realizaron las respectivas regresiones lineales como se muestran en la Figura 29, con el fin de modificar el código de Arduino® y verificar las mediciones de energía activa.
Figura 29 Regresión energía activa
Figura 29.1 Salida de alumbrado
Figura 29.2 Plancha eléctrica
Fuente: autores
Hay que mencionar que fue necesario realizar una segunda regresión como en la calibración de la corriente, obteniendo los siguientes resultados energía = (energía*0.004+0.573) y energía = (energía*0.008-0.003) *0.01596 para la salida de alumbrado y plancha eléctrica correspondientemente. Seguidamente se condicionó que para valores menores a 0.43 mostrara el valor en cero.
Por último, es importante aclarar que los resultados obtenidos después de realizar la modificación a cada código de Arduino® para las medidas de tensión, corriente y energía activa se detallaran en el capítulo de integración y pruebas.
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6.1.2.4 Resumen medidas eléctricas
Teniendo presente los algoritmos obtenidos anteriormente para la salida de alumbrado y la plancha eléctrica, en la Tabla 12, se visualiza un resumen de estos, para los valores de tensión, corriente y energía.
Tabla 12 Resumen algoritmos valores medidos
Fuente: autores
6.1.2.5 Calibración acelerómetro giroscopio plancha eléctrica
Para la calibración del sensor acelerómetro-giroscopio el cual estará integrado en la plancha eléctrica y del cual se obtendrán los datos de movimiento y posición, el procedimiento para la calibración de este sensor se basó en primer lugar en ubicar la plancha eléctrica en posición vertical, e ir cambiando progresivamente a una posición horizontal, en este caso se pretendió observar las variables que presentaban una modificación y los rangos para cada una de estas posiciones en el monitor serial de Arduino®.
Reconociendo estas variaciones de rangos para cada posición resulto que si el registro 0 del acelerómetro es menor a -0.89 o si el registro 1 del giroscopio es negativo la posición será horizontal de lo contrario la posición seria vertical.
Así pues, de esta manera análoga se logró establecer el intervalo comprendido entre [-2,0] del registro 0 del giroscopio en donde la plancha eléctrica se encontraba en un estado de reposo.
6.1.3 Comunicación Ethernet
Para la comunicación Ethernet, la cual posibilita al Arduino® conectarse a una red se escogió la placa Ethernet Shield, esta placa se puede acoplar con el Arduino Nano teniendo en cuenta la comunicación SPI.
La idea del proyecto es lograr modificar el estado de salidas, en este caso encendido y apagado desde cualquier dispositivo móvil, a través de internet y desde cualquier lugar, utilizando la placa Ethernet Shield sobre Arduino Nano teniendo un modo WebClient en un servidor Hosting.
En este caso se trata de un acceso vía WAN, es decir, contará con conectividad a Internet desde cualquier dispositivo móvil en donde el usuario utilizará cualquier navegador y se conectará a un sitio que alojara la página web. Considerando lo anterior, el WebClient de Arduino® se conectará también a esta página web a
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intervalos regulares de tiempo y por medio de una consulta GET solicitará el estado de las salidas, las cuales serán modificadas en el sitio remoto logrando el control sobre cada dispositivo. Así, el Arduino® y el Ethernet Shield generan peticiones PHP al Servidor alojado en un Hosting.
Es importante tener en cuenta que la aplicación sobre Arduino® será tipo WebClient y no Server, esto es debido a que en modo WebClient no va a depender de las direcciones IP públicas que se modifican cada determinado tiempo. El Router tiene como función asignar una dirección IP dinámica, es decir que la IP de Arduino® se va a modificar cada determinado tiempo, por lo que es necesario decirle al Router que la IP se mantenga fija debido a que en el código de Arduino® se debe indicar.
Así pues, en el Void Setup del programa de Arduino® se inicializa el servidor, igualmente en Void Loop crea el cliente y se le pide que lo detecte a través de una petición HTTP. Por último, se envía una respuesta, en este caso la página web desarrollada, la cual utiliza código HTTP con el fin de tomar los valores medidos de tensión, corriente y energía, y enviar las órdenes al prototipo. En conclusión, el modulo Ethernet va a permitir al Arduino® conectarse a una red, el cual, estará conectado al primer PLC, este, se encontrará dentro del dispositivo, este PLC se comunicará con otro equivalente, el cual se conectará al modem de la vivienda, logrando la comunicación.
6.1.4 Acoplamiento Sensores
El código implementado en el Sketch del Arduino® fue el mismo en la parte de medida para la salida de alumbrado y la plancha eléctrica, así como el proceso para la asignación de la dirección IP, sin embargo este código varia en los dos prototipos en cuanto al sensor, para la salida de alumbrado se utiliza el sensor PIR para detectar cuando hay presencia en la habitación y de esta forma enviar la orden al Arduino® de encender la salida de alumbrado y para la plancha es necesario un sensor inercial para saber si se encuentra o no en movimiento y en posición vertical u horizontal, esto con el fin que el Arduino® envié la orden de apagar la plancha eléctrica si se encuentra en posición horizontal y lleva cierto tiempo sin estar en movimiento.
6.1.4.1 Sensor PIR
La conexión del sensor de movimiento solo necesita la alimentación, tierra y salida del sensor, el Arduino® lee la salida de este, la cual va a estar conectada a un pin digital, considerando la señal de entrada, se enviará al relé la orden de encender la salida de alumbrado, adicionalmente se ajustó en el sensor el tiempo que se quiere que permanezca encendido y la distancia de detección.
6.1.4.2 Acelerómetro giroscopio
Para la obtención de los valores brutos del MPU solamente es necesario en el código de Arduino® leer los registros, posteriormente se tuvo en cuenta la posición en la que se iba a ubicar dentro de la plancha y se examinó que ejes del
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acelerómetro serían los de interés para saber si la plancha se encontraba o no en movimiento en este caso fueron el eje X y en el eje Y. Por otra parte, para saber la posición fue necesario utilizar el eje z del acelerómetro y el eje z del giroscopio. Adicionalmente se realizó un contador dentro del sketch del Arduino® y se desarrolló un algoritmo en donde la plancha eléctrica se apaga de forma automática si se encuentra en posición horizontal y quieta después de un tiempo predeterminado, como se indica en el Anexo 11.2
6.2 Diseño software
Con esta investigación se propone un sistema para supervisar, monitorear y controlar cada uno de los dos dispositivos (salida de alumbrado y plancha), desde diferentes dispositivos móviles, a través de internet y desde cualquier lugar, utilizando el Ethernet Shield sobre Arduino®.
El diseño del software no se tratará de un acceso vía LAN, sino vía WAN, es decir con conectividad a Internet desde cualquier dispositivo móvil, así pues, el usuario podrá utilizar el navegador web de su preferencia y se conectará a un sitio que aloja una página web, donde efectuará el control, la supervisión y el monitoreo de cada prototipo. En primera medida se creó un Cliente Web (WebClient) en Arduino®, el cual se conectará a la página web por medio de consultas GET.
Para el desarrollo de la aplicación Web se utilizó un conjunto de lenguajes de manera conjunta llamada LAMP, el cual hace referencia a Linux, Apache, MySQL y PHP/Perl/Python (Gener, Elizabeth, Owens, & Warden, 2011). El servidor Linux es el núcleo del sistema operativo libre y el servidor HTTP Apache es un servidor Web libre con código abierto que sirve como referencia para el diseño, MySQL es un sistema de gestión de base de datos que para este caso se usó como base de datos en la red, finalmente PHP es el lenguaje de programación para producir sitios web dinámicos, el cual, puede utilizarse desde el servidor o desde una interfaz de línea de comandos, así pues, este conjunto de lenguajes facilitó la realización de la comunicación entre Arduino® y la base de datos. Para el desarrollo de las páginas Web se realizó la compra de un servicio de hosting en el cual el servidor Apache y el servidor Linux ya se encuentran instalados, es decir, que solo se usan los archivos PHP y MySQL.
6.2.1 Archivo de Conexión y Bases de Datos
Para el manejo de las bases de datos se utilizó la herramienta escrita en PHP llamada phpMyAdmin, la cual es una interfaz que propicia crear, eliminar y alterar tablas, borrar, editar y añadir campos utilizando sentencias SQL. El Login de la base datos se conoce como archivo de conexión, el cual puede ir en un código aparte o de forma directa, en este caso se utilizó la segunda opción con conexión sencilla, adicionalmente a esto se requiere un nombre de servidor dado por defecto por el hosting, un usuario y una contraseña.
El archivo “index” permitirá el acceso a la página web, lo primero que realiza este archivo es verificar si el usuario y la contraseña son correctos, para esto se usa el condicional “if”, si estos campos son correctos mostrará la página principal, por el
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contrario, si los campos son incorrectos el comando “else” mostrará un mensaje de alerta.
La base de datos consta de 6 tablas, entre las cuales se encuentran usuarios (usados para dar acceso a la página web de los dos prototipos), las tablas estado PIR, precio y eventos son únicamente para la página web de salida de alumbrado, y las tablas “eventos_plancha” y “precio_plancha” se utilizan para la página web de la plancha eléctrica, como se indica en la Figura 30.
Figura 30 Tablas Base de Datos
Fuente: autores
Dentro de esta base de datos se encuentra la tabla usuarios, esta tabla contiene un “d_user” o usuario, el cual será el nombre que se utilizara para el ingreso a las páginas web, así mismo contara con un “d_pass” o contraseña la cual hace referencia a la codificación MD5, ofreciendo seguridad a las páginas web, por ultimo esta contendrá un ítem llamado “d_nombres”, el cual es una variable global usado para el mensaje de bienvenida.
6.2.2 Interfaz Gráfica
Para el diseño de la interfaz gráfica se recurrió al lenguaje HTML, elaborando una imagen de fondo para cada una de estas, agregando títulos, submenús y opciones para el usuario, teniendo en consideración la pestaña en la que el usuario desee ingresar.
Lo más importante en el desarrollo de las páginas es el orden en su desarrollo. La primera parte que se diseñó en la herramienta escrita PHP fue “Index.php”, la cual contiene varios formularios usados principalmente para el ingreso, permitiendo observar cada uno de los menús e información principal de la página web.
La segunda página creada fue “instrucciones.Php”, en la cual se realizó un código para proteger el ingreso de los usuarios, es decir, esta página verificará que el usuario diligencio correctamente los datos de usuario y contraseña. Seguidamente se realizó el ingreso del texto principal de la página, en este texto se explican las
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instrucciones de uso con respecto a la página web, añadiendo algunas imágenes para darle al usuario una explicación más didáctica. Para el diseño de la pestaña Modo de cada página web, su diseño se basó en el archivo “getdata.php”, en la cual para su inicialización es necesario tener en cuenta la línea de código llamada archivo de conexión. El diseño de la interfaz gráfica de las páginas web de la salida de alumbrado y de la plancha eléctrica se aprecia en el Anexo 11.4.2 y 11.4.3 respectivamente.
6.2.3 Actualización Precio kWh
Al observar la pestaña Modo en cada una de las páginas (Anexo 11.4.6), es necesario ingresar el valor del kWh actual como se muestra en la Figura 31.
Figura 31 Precio KWh
Fuente: autores
Esta actualización del precio de la Energía inicia en el código con el comando “$datav”, esta línea de código hace referencia al llamado del último dato ingresado el cual es alojado en la base de datos (Figura 32), con esto, se puede determinar que el valor de Energía es un valor dinámico-teórico, el cual es un valor que puede cambiar en el momento en el que el usuario lo decida, generando dinamismo a la página, así pues, si el usuario desea ingresar un nuevo valor de Energía en el campo asignado, el código de PHP se conectara nuevamente a la base de datos inicial.
Figura 32 Base de datos precio KWh
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Fuente: autores
Si la variable “valor” enviada por método “POST” es diferente a vacío y mayor a cero, el código ejecuta la parte de “mysql_query”, el cual es el ingreso de la orden a ejecutar, es decir, que se inserta el último valor de la tabla precio, actualizando finalmente el valor del kWh como se muestra en la Figura 33.
Figura 33 Valor Actualizado de Energía
Fuente: autores
6.2.4 Modos de Funcionamiento Salida de Alumbrado
Cuando el usuario decida escoger alguno de los modos de funcionamiento como se muestra en la Figura 34, el código se desarrollara de la siguiente manera:
Figura 34 Modos de Funcionamiento
Fuente: autores
Para el ingreso de cada modo se utilizó un botón, el cual por medio de una variable “GET” enlazara con lo que se pretende mostrar, para el caso de la salida de alumbrado, en el modo semiautomático se usó la variable “getdata.php?modo=1” y para el modo manual una variable “getdata.php?modo=2”, es decir, que al presionar algunos de los botones esta acción se mostrara en la ventana de ingreso de direcciones del navegador.
Luego de que el usuario decida a qué modo de funcionamiento ingresar, el código debe identificar por medio de una variable GET a donde debe re direccionar al usuario.
En este caso para el modo 1, el usuario ingresara al modo de funcionamiento en el cual se controla el sensor de movimiento, observando su comportamiento accionado por un botón dando la orden de encendido a este, así mismo, el usuario podrá observar los parámetros del último registró obtenido de Tensión, Corriente, Energía y Precio, Figura 35.
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Figura 35 Modo 1
Fuente: autores
Para el modo 2, el usuario ingresa al modo de funcionamiento en donde ejecutara acciones directamente sobre la salida de alumbrado, observando los parámetros del último registró.
6.2.5 Modos de Funcionamiento Plancha Eléctrica
Para la página web de la plancha eléctrica su desarrollo fue similar a la página de salida de alumbrado, la única diferencia es que solo tendrá modo de funcionamiento manual, esto debido a que se quiere únicamente realizar la acción de apagado sobre esta de manera remota, es decir, que no será adecuado pretender encender este electrodoméstico desde cualquier lugar.
Para el ingreso al modo manual de la plancha eléctrica se utilizó un botón y por medio de una variable GET se enlazara con lo que se pretende mostrar, se utilizó la variable “getdata.php?modo=2”, es decir, que al presionar el botón Modo manual esta acción se visualizara en la ventana de ingreso de direcciones del navegador.
En este modo manual el usuario observa el comportamiento de la plancha eléctrica accionado por un botón, el cual da la orden de apagar la plancha eléctrica, como lo anterior, el usuario puede observar los parámetros del último registró obtenido de Tensión, Corriente, Energía, Precio, movimiento y posición vertical u horizontal, como se muestra en la Figura 36.
Figura 36 Modo Manual Plancha Eléctrica
Fuente: autores
Como se enuncia en la Figura 37, la base de datos para la plancha eléctrica en comparación con la base de datos de la salida de alumbrado difiere en que en esta se añaden las columnas de movimiento y posición.
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Figura 37 Base de Datos Plancha Eléctrica
Fuente: autores
6.2.6 Graficas Parámetros Eléctricos
La siguiente página elaborada fue “gráfica.Php” (Anexo 11.4.8) esta página fue implementada en un script, el cual ayuda a visualizar el nombre de cada una de las gráficas considerando el id de la base de datos, en este caso Tensión, Corriente y Energía, así mismo, con el comando “var data” se recibirán los datos realizando un ciclo “query”, con el fin de mostrar los eventos de la tabla, finalmente con el comando “data.push” se obtienen los puntos o vectores de la gráfica.
La Figura 38 muestra las gráficas de los valores registrados por la base de datos inicial, la cual facilita la variación del tiempo en el cual el usuario desea visualizar el consumo, este tipo de grafica se utilizó para los dos prototipos y para los parámetros de Tensión, Corriente y Energía con el fin de que el usuario los visualice de una manera más cómoda.
Figura 38 Grafica energia
Fuente: autores
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6.2.7 Datos de Contacto Autores
Por último, se diseñó la página contáctenos, en la cual se incluyeron en formato de texto los datos personales de los autores que intervinieron en este proyecto.
6.2.8 Códigos Elaborados
En los anexos 11.3.2, 11.3.3 y 11.3.4, se observan los códigos utilizados, en estos códigos se organizan los valores desde el evento más reciente hasta el evento más antiguo, con la función “for”, esta función ayuda a visualizar únicamente las filas especificadas, en este caso, una fila de la tabla. Posteriormente se encuentra la tabla dinámica en donde se llaman las variables según el orden de la base de datos.
El código realizado para encender o apagar los modos de la salida de alumbrado, utiliza principalmente el comando “Hidden” con el fin de que el proceso se realice de forma oculta para el usuario. En este código se llama inicialmente a la base de datos estado PIR, en la cual se muestra el estado actual del sensor y de la salida de alumbrado, igualmente se tendrá que verificar que el modo manual se encuentre en un estado apagado para encender el modo semiautomático de lo contrario se visualizara una nota de alerta.
Seguido a esto, el código lee el valor de estado 2 de la cadena, este estado, será igual a sal2 y puede tener valores de 0 para cuando se encuentra apagado y de 1 cuando se encuentra encendido, con el fin de visualizar el botón de encendido o apagado del sensor, al realizar un cambio ya sea encender o apagar, la cadena se modificara con un 1 o un 0 según corresponda, esta cadena tendrá como función consultar al Arduino® si debe realizar un cambio en la salida del sensor enviando un acuso de cambio realizado, el cual se puede visualizar en la página web.
Para lograr actualizar los valores de la cadena se utiliza el comando “update”, esta sección de código es de gran importancia debido a que la página que contiene esta cadena es la que ejecuta los cambios en la salida de alumbrado, como se denota en Anexo 11.3.6.3
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7 Verificación y pruebas
7.1 Verificación de medición.
A continuación, se realiza la Verificación comparando los prototipos con equipos calibrados, en los parámetros de energía, tensión y corriente, estableciendo mayor confiabilidad al usuario.
7.1.1 Verificación medición tensión salida de alumbrado.
Para la Verificación de medición de tensión del prototipo de la salida de alumbrado se realizó el cálculo entre el error porcentual mínimo y el error porcentual máximo de la tensión arrojada por el multímetro de precisión y el promedio de los valores del monitor serial de Arduino®, obteniendo los errores máximos a diferentes valores de tensión como se formula en la Tabla 13 y Figura 39.
Tabla 13 Errores máximos medición tensión salida de alumbrado.
Fuente: autores
Figura 39 Error medida tensión salida de alumbrado.
Fuente: autores
En consecuencia, se aprecia que para valores de tensiones mayores a 80 V el error es menor al 2%, en relación a valores de tensión inferiores, el error incrementa hasta en un 1.1% siendo este el caso para 50 V, dejando claro que esta es la tensión mínima para energizar el circuito.
7.1.2 Verificación medición tensión plancha eléctrica.
Se realizó el procedimiento de manera semejante a la descrita anteriormente con el fin de comprobar las medidas leídas por el prototipo de la plancha eléctrica, determinando el error porcentual y obteniendo los errores variando la tensión, esto se puede evidenciar en la Tabla 14 y Figura 40.
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Tabla 14 Errores máximos medición tensión plancha electrica.
Fuente: autores
Figura 40 Error medida tensión plancha eléctrica.
Fuente: autores
Se tiene en consecuencia, que para valores menores a 100V y mayores a 60V el error porcentual máximo es de 1,8%, por el contrario, para valores superiores a los 100V el error disminuye aproximadamente un 0.4%, de donde resulta que, para valores de baja tensión entre 110V y 120V se espera un error máximo de 1,5%, lo cual es aceptable para este proyecto.
7.1.3 Verificación Medición Corriente Salida de Alumbrado
De manera semejante se realizó la comparación entre la medida de corriente entre el multímetro de precisión y el Arduino® para diferentes valores de corriente dando como resultado los datos de la Tabla 15 y la Figura 41.
Tabla 15 Errores máximos medición corriente salida de alumbrado.
Fuente: autores
Figura 41 Error medida corriente salida de alumbrado.
Fuente: autores
De donde se infiere que el error máximo de las medidas es de 0,9% y el mínimo de 0,1% para los distintos valores de corriente, se evidencia que el error no supera el 1%, estimando que la diferencia era mínima entre los valores medidos por el Arduino® y el multímetro. De lo anterior, se infiere que los resultados obtenidos en esta medición son muy similares a los valores arrojados por el multímetro de precisión al no sobrepasar el 1%.
min max Min Max
1,11 1,11 1,11 0,1% 0,1% 0,1%
1,21 1,20 1,20 0,9% 0,9% 0,9%
1,31 1,30 1,30 0,5% 0,5% 0,5%
1,41 1,41 1,41 0,3% 0,3% 0,3%
1,51 1,50 1,51 0,3% 0,3% 0,3%
1,60 1,60 1,60 0,1% 0,1% 0,1%
1,70 1,70 1,70 0,2% 0,2% 0,2%
1,80 1,80 1,81 0,1% 0,4% 0,4%
Error
Maximo
Corriente
multimetro
Corriente arduino (A) Error (%)
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7.1.4 Verificación Medición Corriente Plancha Eléctrica
En la Tabla 16 y Figura 42 se aprecian los resultados obtenidos para diferentes valores de corriente utilizando el prototipo de la plancha eléctrica, relacionando el error máximo y mínimo.
Tabla 16 Errores máximos medición corriente plancha electrica.
Fuente: autores
Figura 42 Error medida corriente plancha eléctrica.
Fuente: autores
Se infiere que los errores de medida son menores al 1% de manera análoga a la salida de alumbrado, sin embargo el error máximo no supero el 0,4% para una corriente de 1,25 A y con un error mínimo de 0,02% para 8,61 A, de esta prueba se concluye que los valores arrojados por el multímetro de precisión hace a este prototipo aceptable.
7.1.5 Verificación Medidas Energía Activa
Para la Verificación de energía se dejó una carga con tensión y corriente constante durante 3 seg, observando que el aumento de energía se diera al tiempo en PQA y Arduino®. Para ilustrar mejor la Verificación de las medidas eléctricas de los prototipos mostrados anteriormente se observan dos casos de medida, en el primero los valores del PQA de tensión, corriente y energía fueron de 71.6V, 1.4A y 3Wh por otra parte los valores medidos por el Arduino® de tensión oscilaban entre 70.57 y 72.01 V, el valor de corriente se mantuvo constante en 1,37A y la energía vario a 3Wh al mismo tiempo que el PQA.
En el siguiente caso se mantuvo constante la tensión y la energía dejando las cargas en funcionamiento por 30 minutos, obteniendo 33Wh de energía medida en el PQA y el Arduino®, ocurriendo una variación de 32Wh a 33Wh en el mismo instante de tiempo.
En síntesis, estas mediciones de energía son bastante precisas y confiables, lo que hace a estos prototipos apropiados para las funciones propuestas, como se observa en la Figura 43.
min max min max
0,00 0 0 0,00% 0,00% 0,00%
1,25 1,24 1,25 -0,40% 0,40% 0,40%
3,30 3,29 3,30 0,30% 0,00% 0,30%
5,40 5,40 5,40 0,03% 0,03% 0,03%
7,51 7,50 7,50 0,07% 0,07% 0,07%
8,61 8,61 8,61 0,02% 0,02% 0,02%
9,70 9,70 9,71 0,05% 0,06% 0,06%
Corriente
multimetro [A]
Corriente arduino [A] Error
maximo
Error
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Figura 43 Tabla resumen Verificación
Fuente: autores
7.2 Prueba de uso salida de alumbrado
Se realizó una prueba piloto que consistió en utilizar durante 3 días en una habitación de una vivienda promedio estrato 3, utilizando una salida de alumbrado incandescente, sin opción de acceso a la página web, es decir que el usuario utilizo el interruptor (manual) para el encendido y apagado, durante este tiempo se midió el consumo total de energía. De igual forma durante otros 3 días consecutivos y manteniendo las mismas condiciones se utilizó el prototipo brindándole al usuario acceso a la página web, con el fin de que accediera remotamente para gestionarlo utilizando todos los modos que se brindan.
Figura 44 Consumo salida de alumbrado sin utilizar de página web.
Fuente: autores
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Figura 45 Consumo salida de alumbrado utilizando página web.
Fuente: autores
Después de tener los registros del consumo en los dos escenarios se demostró que en el escenario donde el usuario tuvo acceso a la página web el consumo de energía promedio fue de 210 W mientras que en el otro escenario fue de 188,3 W, disminuyendo el consumo energético en un 10%.
A continuación, se muestra una tabla resumen de lo obtenido anteriormente:
Tabla 17. Resumen Ahorro Consumo Salida de Alumbrado.
Fuente: autores
Se debe considerar que solamente se utilizó para una habitación, sin embargo una vivienda promedio estrato 3, posee 3 habitaciones además de sala-comedor, cocina y baño, para un total de 6 salidas de alumbrado promedio por vivienda (Ortiz, 2013).
Para tener una visión más global en la ciudad de Bogotá a Junio 30 de 2011 habían 748.768 viviendas estrato 3 (Secretaria de Planeación, 2011), si todas las viviendas tuvieran esta diminución en el consumo de energía se puede concluir que el ahorro realizado es representativo si se aprecia a gran escala. Como se denota en la Tabla 18.
De esta manera si multiplicamos el ahorro realizado por el usuario al acceder a la página web por las 6 salidas de alumbrado que hay en la residencia y
Promedio Escenario 1 Promedio Escenario 2
Tiempo de uso [h] 03:00 02:41
Energía [Wh] 210 188,3
Ahorro energía [Wh]
Ahorro energía [%]
21,7
10%
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considerando que el consumo promedio de una vivienda estrato 3 se encuentra alrededor de 100 kW tendríamos un ahorro de 3,91% diario por cada vivienda, equivalente a $1739,65 mensuales, teniendo en cuenta que el precio del kWh en septiembre fue de $445.38 para estrato 3 (Codensa, 2016).
Tabla 18. Consumo Ahorro Energía a Gran Escala.
1 Vivienda 748768 Viviendas
1 Bombillo 6 Bombillos
Ahorro diario energía promedio [Wh]
21,7 130,2 97489593,6
Ahorro diario energía promedio [$]
9,7 58,0 43419915,2
Ahorro diario energía promedio [%]
0,65% 3,91% 0,13%
Ahorro mensual energía promedio [Wh]
651,0 3906,0 2924687808,0
Ahorro mensual energía promedio [$]
289,94 1739,65 1302597455,93
Ahorro mensual energía promedio [%]
0,65% 3,91% 0,13%
Fuente: autores
El usuario al cual se le instaló el prototipo informó que el acceso a la página web en el primer día fue un poco complejo mientras se adaptaba a las funciones y opciones que tenía la misma, sin embargo le parece excelente acceder remotamente para gestionarlo con tan solo un clic, adicionalmente informó que era una de las personas que olvidaba apagar la salida de alumbrado al salir de su vivienda y esto conllevaba a problemas no solo económicos, en algunos casos familiares, pero con ayuda de la herramienta proporcionada pudo controlarlo de forma cómoda y sencilla.
7.3 Prueba de uso Plancha eléctrica
Se realizaron dos pruebas, la primera determinó los intervalos de tiempo y la segunda la disminución del consumo total, ambas se realizaron en tres viviendas estrato 3 en la ciudad de Bogotá, en promedio a nivel local el tiempo de uso mensual de una plancha eléctrica es de 2,7 h por persona mensual (Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ciencias, 2006), adicionalmente en promedio hay 3,5 personas por vivienda en Bogotá (Secretaria de Planeación, 2011), obteniendo el uso de 8,1 h mensual por vivienda.
La posición vertical de la plancha indica el tiempo en que se encuentra encendida pero no en uso, las mediciones variaron entre 6 y 82 seg para obtener un promedio de 13 seg, es común dejar conectada la plancha por momentos, por eso el valor máximo se tomó como base para ingresarlo en el software y así, al
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encontrarse en posición vertical y superar este límite se apagara automáticamente. También, es necesario saber el tiempo que tarda en llegar la plancha a la temperatura deseada, al realizar la medición se obtuvo que es de 37.31 seg, es decir que el limite definido debe ser mayor a este valor. Otra situación es olvidar la plancha enchufada en posición horizontal que es más riesgoso, por esto se determinó que el tiempo máximo que dura la plancha en esta posición sin movimiento es de 9 seg, el cual se definirá como otro limite en el software, cabe resaltar que estos tiempos limites se pueden modificar para cada vivienda.
Una vez definidos los limites en el software se realizó la segunda prueba con las mismas condiciones y se evidenció que la plancha se apaga automáticamente después de haber superado estos tiempos proporcionando al usuario no solo economía si no mayor seguridad en esta actividad de la vivienda.
Con el fin de determinar el ahorro energético de la plancha eléctrica, se realizaron dos pruebas para 3 viviendas diferentes, la primera prueba consistió en usar la plancha eléctrica como se realiza de forma habitual observando el consumo total promedio de 1800Wh, la segunda prueba radicó en realizar las labores de planchado con la diferencia de establecer unos tiempos en los que la plancha eléctrica se apagaría al no detectar movimiento, con el fin de determinar el ahorro energético que genera el prototipo al apagarse.
Al realizar la primera prueba se obtuvo un crecimiento de energía constante, en la Figura 46, se muestra el consumo para la vivienda 1, obteniendo un consumo total de 1800Wh en 1 h con 37 min, este comportamiento de la energía es equivalente a las otras 2 viviendas por lo cual no es necesaria su ilustración para esta primera prueba.
Figura 46. Prueba 1 - Energia Plancha Electrica.
Fuente: autores
Al efectuar la segunda prueba se obtuvo que para la vivienda 1 y bajo las mismas condiciones de la prueba 1, en la cual la plancha eléctrica se apagó durante 15
66
minutos debido a que no se detectó movimiento alguno (Figura 47), obteniendo un consumo total de 1520 Wh, con esto se puede concluir que al realizar el prototipo funciones de apagado automático en estos 15 min el ahorro energético fue de aproximadamente 280 Wh.
Figura 47. Prueba 2 - Vivienda 1.
Fuente: autores
Para la vivienda 2 y 3 se realizó el mismo procedimiento, obteniendo un tiempo de apagado de la plancha de 17 minutos, 10 minutos con un ahorro de energía de 320 wh y de 190 wh respectivamente, como se confirma en la Figura 48 y Figura 49.
Figura 48. Prueba 2 - Vivienda 2.
Fuente: autores
Figura 49. Prueba 2 - Vivienda 3.
Fuente: autores
Al realizar un seguimiento a las 3 viviendas se determinó que estos usuarios dejan la plancha eléctrica en promedio 14 minutos encendida en posición horizontal o vertical al realizar diferentes labores en la vivienda al momento del planchado.
Asumiendo que el precio del kWh en septiembre fue de $445.38 para estrato 3 y para tener una visión más global en la ciudad de Bogotá al Junio 30 de 2011 habían 748.768 viviendas estrato 3 (Secretaria de Planeación, 2011), según (Jacho, 2015) el factor de planchas eléctricas por hogar es de 0.91%, si estas viviendas tuvieran esta diminución en el consumo de energía se puede concluir que el ahorro realizado es representativo, si se aprecia a gran escala.
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Analizando los límites anteriormente descritos y con el fin de determinar el ahorro energético, se presenta una tabla resumen en donde se muestran los valores promedio de ahorro de energía semanal, mensual y anual de las 3 viviendas analizadas, así como el ahorro energético para el 0,91% de los hogares de la ciudad de Bogotá (Tabla 19), obteniendo un ahorro de aproximadamente 31kWh semanales, equivalente al alrededor de $14.000 en promedio de los hogares en Bogotá.
Tabla 19. Resumen Ahorro Energia Plancha.
Fuente: autores
Figura 50 Prueba de uso plancha eléctrica
Fuente: autores
Las personas participantes de estas pruebas opinaron que este prototipo es de gran ayuda a la hora de ahorrar energía cuando se plancha y lo más importante es que expresaron que con todas las labores domésticas que deben realizar se sienten más seguras al utilizar este prototipo por los limitantes de tiempo establecidos y les facilita su vida cotidiana, por ultimo una vez la persona sale de
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su casa y olvida desenchufar la plancha puede acceder a la página web y gestionarla desde allí evitando crear un incendio y obviamente un mayor consumo energético.
7.4 Pruebas página web
Se desarrolló la página web garantizando que su funcionalidad sea multiplataforma con ayuda del lenguaje de programación utilizado en su diseño, HTML. Esto se comprobó en diferentes páginas online como BrowserShots, CrossBrowserTesting, y Mogotest, que son herramientas que facilitan la comprobación de la compatibilidad con diferentes exploradores e incluso de distintas versiones, con el fin de garantizar al usuario que pueda acceder a la página web. En la Figura 51 se perciben los resultados obtenidos utilizando la primera herramienta que nombrada.
Figura 51 Prueba plataformas página web 1
Fuente: Browsershots, 2016
Es importante resaltar que en la página web se creó un invitado con el fin de evidenciar que los usuarios podrían acceder desde diferentes lugares del mundo, esto se logró por el almacenamiento de la IP en cada ingreso de los usuarios
Con la información de las IP registradas y con ayuda de la herramienta GeoIPview y elhacker, que son herramientas libres online que conocen la ubicación de cada IP, como se muestra en la Figura 52. Observamos que se realizaron pruebas en la ciudad de Cali y Barranquilla en Colombia, Newport en USA, Campo Grande en Brasil, Hamilton en Canadá y Bruselas en Bélgica.
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Figura 52 Ubicación usuarios con la IP
Fuente: GeoIPview, 2016
70
Así mismo, se determinó el tiempo de respuesta entre la página web y los prototipos en el cual ejecutaba la acción de encendido y apagado de los mismos, asegurando un tiempo de respuesta promedio de 2.7seg para encender la salida de alumbrado, 2.3 seg para apagarlo y 2.8 para apagado de la plancha; de igual forma se obtuvo un tiempo de 17.024 y 21.42 seg para la salida de alumbrado y 12.9 para la plancha, desde que el usuario daba clic en el botón hasta que visualizaba el cambio de estado en la página web, con el fin de garantizarle a los interesados que la acción remota fue satisfactoria, en la Tabla 20 y Tabla 21 se manifiestan los tiempos de respuesta.
Tabla 20 Tiempos de respuesta en que ejecuta la acción
Fuente: autores
Tabla 21 Tiempos de respuesta en que se visualiza la pagina
Fuente: autores
7.5 Costos insumos prototipos
En la Tabla 22 se muestran los costos de los prototipos que oscilan entre seiscientos mil pesos ($600.000), cada elemento, es decir el electrodoméstico adaptado y el sistema que realiza la medición, actúa, envía y recibe datos sobre la salida de alumbrado, sin embargo hay que tener en cuenta que la fabricación de este prototipo para la comercialización, debe proponerse como una producción en serie y por volúmenes, con el fin de hacerlo económico y viable financieramente.
Un ejercicio de costo de materiales arroja información que infiere, que a partir de cien (100) unidades o más disminuirá considerablemente dado que se pueden utilizar los microcomponentes como Atmega 328 y Wiznet como se denota en la Tabla 23 y Figura 53. Así mismo existen proveedores a nivel mundial que venden al por mayor, por tanto los precios se reducen en aproximadamente 83% situándose entre US$ 0.1 y US$1 unidad.
Tiempo plancha [Seg]
Encender Apagar Apagar
Colombia Cali 2,28 2,39 -
Colombia Barranquilla 2,04 2,06 2,13
Estados Unidos Newport 3,77 2,51 3,56
2,70 2,32 2,85Tiempo promedio
País CiudadTiempo bombillo [Seg]
Tiempo plancha [Seg]
Encender Apagar Apagar
Brasil Campo grande 17,95 11,90 15,08
Canadá Hamilton 28,57 29,31 10,81
Belgica Brussels 4,55 23,05 -
17,02 21,42 12,94Tiempo promedio
País CiudadTiempo bombillo [Seg]
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Tabla 22 Costo prototipos
Fuente: autores
Tabla 23 Costo producción 100 unidades
Fuente: autores
Figura 53 Precio Vs. Cantidad
Fuente: autores
Por otra parte es importante resaltar el costo beneficio de este dispositivo dado que la inversión inicial será un poco alta pero accesible a la situación económica de una vivienda promedio estrato 3.
La empresa OZOM ofrece diferentes productos que permiten ser controlados a través de una aplicación utilizando smarthphone o Tablet (OZOM, 2016), actualmente ofrecen un kit con una salida de alumbrado, un modem y un socket por $509.800, realizando una comparación con los prototipos propuestos en este proyecto que tienen un costo de $391.294 sin incluir costos fijos e indirectos, se evidencia que este producto puede en un futuro entrar a competir en el mercado.
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8 Trabajo futuro
Con el fin de crear las bases necesarias para un trabajo futuro sobre estos prototipos se ha desarrollado un artículo llamado “Sistema de Monitoreo y Control IP para una Salida de Alumbrado”, este artículo fue aprobado con correcciones el día 30 de Agosto del presente año por la revista Ingeniería y Universidad de categoría A2, perteneciente a la Pontificia Universidad Javeriana, con el fin de sentar las bases del desarrollo para el prototipo de la salida de alumbrado, igualmente se pretende desarrollar en un futuro un artículo sobre el prototipo de la plancha eléctrica propuesta en este proyecto.
Teniendo presente la ley 1715 de mayo de 2014 que incentiva la respuesta de la demanda con el fin de trasladar los consumos en periodos pico y aplanar la curva de la demanda, promoviendo el ahorro de energía y la difusión de equipos eficientes en el sector residencial, por medio de subprogramas prioritarios como la sustitución de bombillas incandescentes, el uso eficiente de energía en equipos de refrigeración y uso eficiente y sostenible de viviendas. Por tanto, estos dos prototipos propuestos podrían incluir automáticamente en su software la actualización del precio de la energía considerando que es posible que el precio varié en periodos de tiempos más cortos, brindando así más comodidad y seguridad al usuario con el fin de lograr un mejor uso racional y eficiente de energía en la vivienda.
Para mejor desempeño en la comunicación por línea de potencia PLC, se propone trabajar con un PLC el cual en su sistema tenga la posibilidad de conectividad WiFi, esto con el fin de lograr un diseño sencillo, un tamaño más compacto, mayor velocidad en la transferencia de datos y evitar ruido electromagnético que afecte la comunicación.
Se propone usar otro tipo de actuador diferente al relé, esto debido a que existen en el mercado una gran variedad de actuadores que pueden lograr las mismas funciones y evitar peligros eléctricos en su conexión.
Por último, es de vital importancia encontrar una placa Ethernet de Arduino® mucho más económica en Colombia, que sea de un tamaño compacto y que tenga la mayoría de funciones para lograr la conexión a internet del Arduino®, lo cual ayudaría en gran medida a disminuir el tamaño para cada uno de los prototipos.
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9 Conclusiones
Los protocolos permiten al usuario monitorear continuamente el sistema y supervisarlo con el fin de controlar su funcionamiento a través de cualquier dispositivo con acceso a internet. Esto contribuirá a que el usuario posteriormente, administre de la forma más adecuada estos dispositivos para que sean eficientes energéticamente gracias a los beneficios que brinda la comunicación por línea de potencia (PLC) en estos prototipos, siendo un factor importante y diferente en comparación con los prototipos que existen en el mercado.
Se optimizan los niveles de consumo de energía en la vivienda teniendo como objetivo principal lograr la eficiencia energética, través del desarrollo de una placa que se puede acoplar a una salida de alumbrado y una plancha eléctrica, para que sean de fácil operación, sin necesidad de ser manipulados por personal calificado.
En el escenario donde el usuario tuvo acceso a la página web con el fin de que accediera remotamente y gestionar la salida de alumbrado durante los 3 días seguidos, el consumo de energía disminuyó en aproximadamente un 10% para esta vivienda.
Se logró determinar el ahorro energético a gran escala en la ciudad de Bogotá en 3,91% mensual con el uso del prototipo de la salida de alumbrado, alcanzando la eficiencia energética en los hogares de estrato 3.
El bajo costo de los componentes utilizados permite a estos prototipos entrar a competir económicamente en el mercado, teniendo en cuenta que los electrodomésticos basados en el internet de las cosas se comercializan a precios elevados, de esta forma el usuario podrá adquirirlos a un precio accesible para una vivienda promedio estrato 3.
El usuario visualiza dinámicamente el consumo de energía y el costo de la misma por medio de una página web que le ayuda a administrar el electrodoméstico y la salida de alumbrado, desde cualquier lugar y dispositivo con conexión a internet, con el fin de cambiar los hábitos sin afectar la calidad de vida siendo energéticamente responsables.
Teniendo en cuenta que las placas tienen esquemas similares con variaciones en los sensores y actuadores utilizados, se puede concluir que la placa propuesta basada en Arduino® y comunicación por línea de potencia, puede implementarse en diferentes electrodomésticos, con el fin de tener un sistema integral de una vivienda promedio estrato 3.
Actualmente muchos de los productos existentes en el mercado que ofrecen beneficios similares se desarrollan bajo una plataforma Zigbee, WiFi, Android, Raspberry, entre otros, los prototipos proponen una nueva forma de comunicación por línea de potencia (PLC), aprovechando la red eléctrica.
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11 Anexos
11.1 Código Arduino salida alumbrado
79
80
81
11.2 Código Arduino plancha
82
83
84
11.3 Código Página web
11.3.1 Archivo de conexión y base de datos Interfaz gráfica
11.3.1.1 Archivo de conexión
11.3.2 Actualización precio kWh
11.3.3 Modo funcionamiento salida de alumbrado
85
11.3.4 Modo funcionamiento plancha
11.3.5 Graficas parámetros eléctricos
11.3.5.1 Código Grafica.
86
11.3.6 Datos contacto Códigos elaborados
11.3.6.1 Pestaña contáctenos
11.3.6.2 Encender o apagar
11.3.6.3 Código visualización eventos
87
11.3.6.4 Código actualizar valores cadena
11.4 Página web
11.4.1 Página Acceso
88
11.4.2 Página principal Salida de alumbrado
89
11.4.3 Página principal plancha
90
11.4.4 Página instrucciones salida de alumbrado
91
11.4.5 Página instrucciones plancha
11.4.6 Página modo
11.4.7 Página modo manual plancha
11.4.8 Página graficas
92
11.4.9 Página grafica tensión
11.4.10 Página grafica corriente
11.4.11 Página grafica energía
93
11.4.12 Contáctenos
11.5 Circuito PCB
94
11.6 PCB 3D
