Sistema de monitoreo para la gestión del consumo eléctrico
empleando servicios en redes Ad-Hoc e IoT
Monitoring system for the management of electricity
consumption using services in Ad-Hoc and IoT networks
Byron Oviedo
1
boviedo@uteq.edu.ec
Ángel Torres Quijije
1
atorres@uteq.edu.ec
José Luis Tubay
1
jtubay@uteq.edu.ec
José Pacheco Zamora
1
joseandrespz@gmail.com
Recibido: 1/07/2018, Aceptado: 1/09/2018
RESUMEN
El presente trabajo se basa en implementar una red de sensores inalámbricos para
el monitoreo del consumo energético empleando servicios en redes Ad- Hoc e
Internet de las Cosas, esta red está constituida por 2 nodos router, los cuales
realizarán él envió de los valores eficaces del voltaje y amperaje detectados por sus
sensores integrados conectados a través del protocolo ZigBee2 (IEEE 802.15.4) con
un nodo coordinador (estación base) además conectado a un servidor de telemetría
encargado de almacenar la información referente a la red Ad-Hoc, la misma que
permite el ingreso a la información por parte de los usuarios a través de una interfaz
web. Finalmente, se implementó la red en las oficinas de la empresa Alfanet Sucursal
Quevedo, para la recopilación de datos referente al consumo realizado por diferentes
equipos de Telecomunicaciones proporcionados por la empresa.
Palabras Clave: redes, sensores, telemetría, ad-hoc, ZigBee
1
Docentes de la Universidad Técnica de Quevedo. Ecuador
Revista científica Ciencia y Tecnología Vol 18 No 20 págs. 178 - 194
http://cienciaytecnologia.uteg.edu.ec
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No. 20, 31 de octubre de 2018
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ABSTRACT
The present work is based on implementing a network of wireless sensors for the
monitoring of energy consumption using services in Ad-Hoc networks and Internet of
Things, this network is constituted by 2 router nodes, which will make it send the
effective values of the voltage and amperage detected by its integrated sensors
connected through the ZigBee2 protocol (IEEE 802.15.4) with a coordinating node
(base station) also connected to a telemetry server responsible for storing
information related to the Ad-Hoc network, it allows users to enter information
through a web interface. Finally, the network was implemented in the offices of the
company Alfanet Sucursal Quevedo, for the collection of data regarding the
consumption made by different Telecommunications equipment provided by the
company.
Keywords: networks, sensors, telemetry, Ad-Hoc, ZigBee
Introducción
En la actualidad el consumo de energía eléctrica es considerado un pilar fundamental
de la sociedad, llegando a depender tanto de ella para el diario vivir; su gran
demanda tiene impacto significativo en recursos esenciales de los seres vivos,
forzando al ser humano a la búsqueda de nuevas alternativas energéticas amigables
con el medio ambiente y satisfacer su demanda. La irresponsabilidad de numerosos
usuarios provoca diferentes inconvenientes tales como; aumento del coste a cancelar
por parte del usuario provocando así una creciente demanda energética para el
estado y mayor escasez de recursos no renovables.
Para la creciente demanda global energética son notables diferentes terminales
esenciales para su incremento, como la dinámica demográfica, industrialización,
avances en la medicina y el cambio de las condiciones de vida de la población,
vinculado inicialmente al alto crecimiento económico y a las transformaciones
sociales. Según Economía Política de las Transiciones Democráticas se proyectó un
crecimiento del 3.2% anual de la economía del ámbito mundial hasta el año 2015.
Los países en vías de desarrollo contienen un mayor porcentaje en su crecimiento
como es un 58% para el 2020. Debido al mejoramiento de los niveles de vida y la
industrialización contribuirán en el crecimiento de la demanda energética (Santos
Ruesga, 2006).
Con el desarrollo de nuevas herramientas tecnológicas se consideran nuevos métodos
para la conservación de recursos energéticos, dentro de este ámbito comprende el
estudio de las telecomunicaciones basándose en la creación de nuevos procesos y
herramientas capaces de permitir el manejo de información; en el caso del presente
proyecto se busca utilizar las telecomunicaciones como herramienta para el
fortalecimiento del ahorro y optimización del consumo eléctrico.
La finalidad del presente proyecto denominado “Redes de Sensores inalámbricos para
el monitoreo del consumo energético empleando servicios en redes Ad-Hoc e IoT”
consiste en el desarrollo de un sistema que emplee los servicios de una red
inalámbrica móvil de sensores los cuales gracias a un servidor de telemetría permita
la recolección de información referente al uso eléctrico de los dispositivos y a su vez
permitir a usuarios externos gestionar las acciones para el control del consumo en
cada dispositivo.
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Métodos
Como se describe en el Balance Energético Nacional: históricamente, el sector
transporte tiene una participación del uso energético del 40% durante el periodo
2000 y 2015. El siguiente sector con mayor demanda energética ha sido la industria
con un 20%. Finalmente, en tercer lugar, el sector residencial donde el consumo
eléctrico se incrementó en un 54% entre los años 2005 y 2015, pasando de
933kWh/per cápita a 1.436kwh/per cápita (Ministerio Coordinador de Sectores
Estratégicos, 2016). Esto debe entenderse como un mejoramiento de las condiciones
de vida de los ecuatorianos, considerado un incremento del 90% en el consumo
eléctrico en ese periodo de tiempo. Mientras tanto, el consumo eléctrico per cápita
aumentó en 2% entre 2014 y 2015 (Medina, 2016).
Para el desarrollo económico y social el consumo de energía es un elemento
fundamental, que permite un estilo de vida más cómodo para el diario vivir, el
derroche desmesurado de energía eléctrica conlleva diversos inconvenientes; sobre
el ecosistema, recursos de energía no renovables e inseguridad del abastecimiento
energético por parte del estado, incremento del coste tarifarios de kWh para los
abonados. En la mayoría de las ocasiones el consumo eléctrico no se encuentra en
constante monitoreo por parte de los usuarios, solo prestándose a cancelar las tarifas
sin verificar los consumos.
Para la mayoría de países desarrollados el abastecimiento de energía domina un lugar
importante en la agenda política. Su importancia se vincula en sectores de comercio
y competitividad industrial, el confort de la población, el objetivo de reducción de
emisiones de efecto invernadero (GEI) y los beneficios de la seguridad de
abastecimiento energético.
Los servicios energéticos cubren una amplia demanda necesaria para el diario vivir
de las personas como son: confort (calefacción, aire acondicionado), iluminación,
transporte, refrigeración, tecnologías de información, comunicación, producción de
bienes y servicios, entre otros. La creciente demanda de estos recursos produce una
pérdida de los recursos primarios utilizados por el gobierno para proveer la energía
necesaria para satisfacer su demanda.
El desperdicio de energía es un problema que tiene dos causas principales: ineficacia
de las instalaciones eléctricas así como un uso irracional de la energía, consecuencia
de malos hábitos y acciones. Como ejemplo; una refrigeradora de 340 litros de
capacidad, fabricada en los años 90, consume 1.300 kWh/año, lo que representa un
costo aproximado de US $130 por año (con un costo del kWh de 10 centavos de
dólar). Una refrigeradora eficiente consume 400 kWh/año que, al mismo costo por
kWh, representa un costo de US $35 por año (Ministerio del Ambiente, 2010).
La tendencia mundial y de países industrializados como es el caso de los países que
conforman la Unión Europea es reducir la intensidad energética: como se puede
observar entre los años 1980 y 2012 reduciendo su consumo de 200 MTep/T USD a
120 MTep/T USD; mientras que los países en vía de desarrollo como es el caso de
América Latina y El Caribe (incluyendo Ecuador), en la década de los 80 con un 90
MTep/T USD venía en un crecimiento lento hasta estabilizarse en la década de los 90
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aproximado de 90 MTep/T USD. A partir del 2000 se empieza a tener una reducción
de la intensidad energética fruto del desarrollo experimentado en la región y a
múltiples políticas de desarrollo productivo y emprendimiento de programas de
eficiencia energética. El plan de eficiencia energética introducido por el Ministerio de
Electricidad y Energía Renovable establece el cambio a luminarias eficientes,
refrigeradoras, aires acondicionados y calefones (CONELEC, 2013).
En este trabajo se procede a realizar las correspondientes pruebas en las conexiones
de los diferentes dispositivos que empleen los sensores encargados de enviar los
datos del estado del equipo al servidor y los actuadores encargados del encendido o
apagado mediante las decisiones tomadas por el usuario.
Luego se verifica los diferentes parámetros necesarios en la red a implementar como
son el voltaje suministrado a los dispositivos, el valor de corriente que circula en los
dispositivos y la descripción de los paquetes que utilizan. Así mismo se verifican las
funciones necesarias para el servidor de telemetría realizando las pruebas necesarias
para la verificación de los mismos para luego analizar los datos del consumo eléctrico
enviados por los sensores en los dispositivos, como también las acciones planteadas
para los dispositivos de la red.
A continuación se determina las diferentes secciones que conforman el proyecto como
es el diseño de la red inalámbrica y teniendo más énfasis sobre el servidor el cual
recolecta los datos de cada dispositivo para la presentación de estos al usuario,
también permitiendo al usuario crear reglas para el acceso a la energía eléctrica.
Experimentación
Una de las finalidades del proyecto es la integración de redes móviles Ad-hoc en
servicios del internet de las cosas, para lo cual se emplearon equipos calificados en
realizar una correspondiente interconexión entre ellos sin importar su movilidad. En
la 1 se tiene una vista general del funcionamiento, como primer punto la utilización
de redes Ad-Hoc por parte de nodos en este caso los XBee, permitiendo el intercambio
de paquetes de forma arbitraria entre ellos, también se cuenta sobre el nodo
coordinador un módulo NodeMCU; el cual permita la comunicación de cada nodo con
un servidor remoto TCP/IP.
Gráfico 1. Arquitectura general del sistema
Fuente: Elaboración propia
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Para este caso se configuró un servidor web disponible para la recopilación de
información procedentes de los dispositivos, permitiendo contar con un registro del
consumo realizado en tiempo real, de la misma forma es esencial permitir la
interacción de los dispositivos con los usuarios del servidor.
Como primer caso es necesario la utilización de sensores con capacidad de soportar
el voltaje utilizado por las instalaciones eléctricas más comunes en una vivienda, para
estos casos los sensores tienen la facilidad de soportar un voltaje máxima de 240,
en ello se destacan dos tipos de sensores uno de corriente y otro de voltaje los que
permitan estimar el consumo de los equipos conectados en los tomacorrientes y el
sistema en total también cuenta con su módulo de comunicación en este caso un
XBee encargado de enviar y recibir datos tal como se puede apreciar en la figura 2.
Gráfico 2. Arquitectura general del sistema
Fuente: Elaboración propia
Por otra parte, el nodo coordinador cuenta con una arquitectura de comunicación más
simple. Empleando solo tres capas, pero a su vez muy importantes, esta
implementación permite la adaptación de la red Ad-Hoc a una red TCP/IP. En la figura
3 se puede observar las capas de comunicación de cada red mantienen una
transmisión dúplex entre ellas.
Gráfico 3. Arquitectura del nodo coordinador
Fuente: Elaboración propia
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Programación de la Capa de Comunicación
Para realizar una red inalámbrica móvil descentralizada se emplearon las librerías y
módulos inalámbricos XBee, estos dispositivos cuentan con diferentes modos de
operación entre ellos el modo API.
Este modo permite que cualquier dispositivo de la red pueda comunicarse con otro o
varios, mediante la utilización de tramas específicas. En la tabla 1 se puede visualizar
los parámetros necesarios a configurar.
Tabla 1. Configuración de Módulos XBee
Fuente: Elaboración propia
API 2 ENABLE Modo de operación para el modulo en este caso modo API 2 Al momento
de contar con todos los módulos configurados, es posible visualizar su topología
mediante el software XCTU como se muestra en la figura 4.
Gráfico 4. Topología de red
Fuente: Elaboración propia
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Programación de Capa de Procesados (Router):
Nodos Router
Dentro de la programación de la capa de procesado en los nodos router son
necesarios la utilización de tramas API, estas tramas encapsulan los datos de los
sensores para ser enviados al nodo coordinador y por su parte el nodo coordinador
enviarlos a la base de datos.
En el Código a se puede observar la utilización de la librería XBee, esta librería
permite la creación de tramas mediante mensajes en formato hexadecimal,
anticipando con anterioridad la dirección física del módulo receptor, identificar el
puerto serial del módulo y la longitud del mensaje.
Código a. Elaboración de Tramas API sobre Arduino. #include
<XBee.h> //libreria XBee xbee = XBee(); //objeto uint8_t
payload[4]; //variable del mensaje
XBeeAddress64 addr64 = XBeeAddress64(0x0013A200,0x414E6CE6);
//direccion 64 bits receptor
ZBTxRequest zbTx = ZBTxRequest(addr64, payload, sizeof(payload)); //tipo de trama
a enviar
void setup() {
Serial.begin(9600); //velocidad de transmisión puerto serial xbee.setSerial(Serial);
//Puerto serial a utilizar
}
void loop() {
payloa[6] = {'H','o','l','a'}; //datos a ser enviados
xbee.send(zbTx); //comando para el envio de la trama
}
Programación de Capa de Procesados (Coordinador):
En la capa de procesado del nodo coordinador se utiliza el módulo NodeMCU (Figura
5). Este dispositivo emplea un módulo Wireless capazo de contar con función de
Punto de Acceso (AP) o Estación (EST). Lo cual permite agregar protocolos de
comunicación IP a la comunicación del sistema.
Gráfico 5. Módulo NodeMCU
Fuente: Elaboración propia
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Dentro de la configuración de la capa de procesado en el nodo coordinador (Código b)
se puede verificar el proceso de verificación de ingresos de tramas, este proceso revisa
periódicamente verificando él envió de tramas por parte de la red Ad-Hoc. Además del
funcionamiento del módulo en la recepción de tramas en dispositivo final se configura
un servidor web en él, con el fin de permitir el ingreso de datos y salida de datos
mediante el método de petición POST.
Código b. Configuración del procesador NodeMCU.
#include <ESP8266WiFi.h> #include <WiFiClient.h>
#include <ESP8266WebServer.h> const char *ssid = "ROUTER"; const
char *password = "12345678";
ESP8266WebServer server(80); void handleRoot()
{
pri = server.arg("pri"); seg = server.arg("seg"); ter = server.arg("ter");
seg.toCharArray(cadena,9); for(int x=0;x<9;x++)
{
for(int y=0;y<16;y++)
{
if(cadena[x] == valoresStri[y])
{
direccionaux=direccionaux*mover; direccionaux=direccionaux+valores[y]; break;
reques2 = rx.getRemoteAddress64().getLsb(); inData
= (char*)data; if(inData.equals("Helloy"))
{
}
} enviardatos("prin=Helloy&secun=Red1!"+(S
} tring)reques2);
if((pri).equals("1"))
{
irValue[0] = 0x04;
}else
{
irValue[0] = 0x05;
}
irCmd2[0] = 'D';
irCmd2[1] = pin[ter.toInt()]; XBeeAddress64 addr642 =
XBeeAddress64(direccion1,direccionaux);
RemoteAtCommandRequest remoteAtRequest2
=
RemoteAtCommandRequest(addr642,irCmd2, irValue, sizeof(irValue));
xbee.send(remoteAtRequest2); server.send(200, "text/plain","OK");
}
void setup()
{
Serial.begin(115200); xbee.setSerial(Serial);
WiFi.begin(ssid, password); server.on("/body", handleRoot); server.begin();
IPAddress ip(192,168,1,5); IPAddress gateway(192,168,1,1); IPAddress
subnet(255,255,255,0); WiFi.config(ip, gateway, subnet);
}
void loop()
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{
server.handleClient(); xbee.readPacket(); if(xbee.getResponse().isAvailable())
{
xbee.getResponse().getZBRxR esponse(rx);
for (int p = 0; p < rx.getDataLength(); p++)
{
data[p] = rx.getData()[p];
}
reques1 = rx.getRemoteAddress64().getMsb();
}else
{
envia("prin="+inData+"&secun="+(String)re ques2);
}
}
}
En el Código c se puede observar las sentencias utilizadas para habilitar o deshabilitar
el control del consumo eléctrico en los diferentes dispositivos de la red Ad Hoc,
conformado por la IP del nodo coordinador seguidos por la sección a controlar,
dirección física del módulo XBee y el valor de encendido o apagado (1 o 0).
Código c. Sentencia de Control de módulo Relay
http://192.168.1.5/body?pri=1&seg=414E6CE4 &ter=0
http://192.168.1.5/body?pri=1&seg=41530539&t er=0
Para el caso del gestor de base de datos se optó por MYSQL, el cual a comparación
del gestor Oracle y SQL Server cuenta con una estructura más rígida, pero a su vez
tienen un costo económico su uso, en el caso de MYSQL emplea bajo consumo de
recursos y totalmente libre. Ver figura 6.
Figura 6. Diagrama de base de datos
Fuente: Elaboración propia
Para el caso de la visualización de los datos se diseñó una página web en PHP y HTML
donde se muestra la dirección el nombre e IP de las redes Ad-hoc que tengan acceso
a la base de datos (figura 7).
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Gráfico 7. Página principal
Fuente: Elaboración propia
Dentro de cada nombre de red es posible el despliegue de los diferentes dispositivos
vinculados como se muestra en la figura 8. A su vez en cada sección de los
dispositivos se visualiza un gráfico de los datos captados por los sensores de cada
dispositivo (figura 9), otro aspecto del grafico es su actualización automática es decir
por cada momento que se presente nueva información en la base de datos estos
datos se verán reflejados a su vez en el gráfico.
Gráfico 8. Dispositivos y secciones
Fuente: Elaboración propia
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Gráfico 9. Gráfico del Consumo Enviado por Sección 1
Fuente: Elaboración propia
Implementación de la red de sensores para el monitoreo del consumo energético:
Para el caso de la prueba en marcha de la red inalámbrica, se implementó la
recopilación de datos mediante la obtención de los valores eficaces del amperaje y
voltaje de diferentes equipos de telecomunicaciones. Estos equipos emplean
consumo de energía continua.
Se procedió a ubicar los dispositivos en las instalaciones de la empresa de Alfanet. El
Nodo Router 1 se ubicó en la regleta del rack principal como se muestra en la figura
10 y el Nodo Router 2 en una regleta que abastece otros dispositivos dentro de la
oficina (figura 11).
Gráfico 10. Nodo Router 1 Recopilando Datos.
Fuente: Elaboración propia
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Gráfico 11. Nodo Router 2 Recopilando Datos.
Fuente: Elaboración propia
En la figura 12 se muestra la ubicación de los 2 equipos principales de la red como
es el nodo coordinador y el servidor de telemetría, listos para la recopilación
procedentes de los nodos.
Gráfico 12. Nodo Coordinador y Servidor de telemetría.
Fuente: Elaboración propia
Datos recopilados durante la Implementación de la Red Ad Hoc:
En la figura 13 se presenta los valores eficaces de corriente suministrada a los
dispositivos, empleado para el envío y recepción de los datos durante 24 horas:
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Gráfico 13. Valores Eficaces de la Corriente Eléctrica que Circula por los
Dispositivos (24 horas).
Fuente: Elaboración propia
Dentro de la figura 14 se muestra el amperaje que circula por los equipos de la red,
esta grafica presenta los datos durante 4 días seguidos mostrando un promedio de
0.55A para el Nodo 1 y 0.36A para el Nodo 2.
Gráfico 14. Valores Eficaces de la Corriente Eléctrica que Circula por los
Dispositivos (4 días).
Fuente: Elaboración propia
Para el caso de la figuras 15 y 16 se presenta los valores eficaces de los quipos
conectados en ellos, donde la Sección 1 se conectó un router de borde con la
especificación de 1.2A y la Sección 2 una antena LHG de 0.4A, mostrando un
promedio en los datos recopilados de 1.23A y 0.4ª.
Gráfico 15. Valores Eficaces de la Corriente Eléctrica que Circula por los
Equipos Conectados Nodo 1 (24 horas).
Fuente: Elaboración propia
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Gráfico 16. Valores Eficaces de la Corriente Eléctrica que Circula por los
Equipos Conectados Nodo 1 (4 días).
Fuente: Elaboración propia
A su vez se presentan los valores del voltaje suministrado a los equipos conectado y
a los dispositivos del Nodo 1 de la red, llegando a un promedio de 109.40V durante
los 4 días de recopilación de datos (figura 17) y 109.15V durante 24 horas (figura
18).
Gráfico 17. Valores Eficaces del Voltaje Suministrado a los Equipos
Conectados Nodo 1 (24 horas).
Fuente: Elaboración propia
Gráfico 18. Valores Eficaces de Voltaje Suministrado a los Equipos
Conectados al Nodo 1 (4 días).
Fuente: Elaboración propia
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En la figura 19 y figura 20 también se presentan los valores eficaces del amperaje
que circulan en los quipos conectados al Nodo 2. La Sección 1muestra la corriente de
una pc de escritorio de 2.2A, y en la Sección 2 un router TP Link de 0.6A
respectivamente. Mostrando un promedio en los datos recopilados de 2.33A y 0.64A.
Gráfico 19. Valores Eficaces de la Corriente Eléctrica que Circula por los
Equipos Conectados Nodo 2 (24 horas).
Fuente: Elaboración propia
Gráfico 20. Valores Eficaces de la Corriente Eléctrica que Circula por los
Equipos Conectados Nodo 2 (4 días).
Fuente: Elaboración propia
A continuación, se presenta los valores del voltaje capturados por el sensor de voltaje
empleado en el Nodo 2 de la red, llegando a un promedio de 109.40V durante los 4
días de recopilación de datos (figura 21) y 109.15V sobre 24 horas de recopilación
(figura 22).
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Gráfico 21. Valores Eficaces de Voltaje Suministrado a los Equipos
Conectados al Nodo 2 (24 horas).
Fuente: Elaboración propia
Gráfico 22. Valores Eficaces de Voltaje Suministrado a los Equipos
Conectados al Nodo 2 (4 días).
Fuente: Elaboración propia
Discusión
El sistema de monitoreo del consumo eléctrico ofrece varias ventajas para
recopilación de datos referente al consumo eléctrico, a su vez permitiendo el acceso
a esta información mediante una red global como es Internet, un aspecto importante
para la recopilación de datos referentes a la teoría de IoT.
El presente trabajo, conlleva en la utilización de los servicios de una Red Ad- Hoc
para difusión de información captada por sensores de corriente y voltaje. Los cuales
permiten determinar los valores eficaces suministrados por las instalaciones
eléctricas a equipos de telecomunicaciones. A su vez todos estos datos captados se
almacenan en una base de datos para su posterior acceso.
Conclusiones
A partir de los resultados expuestos se plantea las siguientes conclusiones:
Se diseñó un sistema de monitoreo inalámbrico para la gestión del consumo eléctrico
empleando servicios de redes inalámbricas móviles (Ad-Hoc) e implementando teorías
del Internet de las Cosas (IoT), con el objetivo de permitir recopilar información
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referente al consumo realizado por diferentes aparatos eléctricos que se utilizan
mayormente en telecomunicaciones.
Se realizó una comparación entre los diferentes sensores empleados en la recopilación
de valores eficaces tanto de la corriente como voltaje, estos dispositivos permiten su
integración con los dispositivos XBee, la utilización de los sensores ACS712 y un
Sensor de Voltaje AC se determinó por su coste, tamaño y su capacidad de trabajo
para cálculo de su amperaje y voltaje respectivamente.
Se implementó una red Ad-Hoc mediante la utilización de 3 módulos XBee Series 2
debidamente configurados; este proceso se realizó en la oficina de la empresa Alfanet
Sucursal Quevedo con la respectiva autorización del gerente, el cual permitió la
utilización de diferentes equipos de telecomunicaciones para la recopilación de datos
por parte de la red.
Mediante la utilización de un servidor de telemetría se realizó la recopilación de
información enviada por el nodo coordinador de la red Ad-Hoc, empleando un gestor
de base de datos en MySQL, y archivo en PHP, donde este archivo determina el tipo
de información se almacena y su ubicación. A su vez se permite el acceso a los datos
mediante una página web, mostrando al usuario un registro del consumo censados
por los sensores en los dispositivos como también.
Referencias bibliográficas
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Regulación y Control de Electricidad. Recuperado el 28 de junio de 2017, de
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