Diseño de Una Red de Sensores Inalámbricos

Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” CUJAE

Facultad de Ingeniería Eléctrica. Departamento de Telecomunicaciones.

Trabajo de Diploma “Diseño de una Red de Sensores Inalámbricos con Plataforma de Gestión y Monitoreo para el Alumbrado Público.”

Autores: Irania Aniari Moran González. Andy Herrera Lao.

Tutor: Dr. Dioén Biosca Rojas.

La Habana, Cuba. 2015.

AGRADECIMIENTOS

En el transcurso de la carrera hemos contado con el apoyo de familiares, profesores y compañeros de aula. No nos alcanzarían las páginas para expresarles a todos nuestro agradecimiento, porque sin ellos no hubiéramos podido llegar hasta aquí. Pero en especial quisiéramos agradecer a nuestros compañeros: Brenda Fernández, Humberto Castellanos, Alain Villavicencio, Alain Nerey, Dariem Carballosa y Hamlet Pérez, que se han convertido en amigos muy queridos, muchas gracias por ayudarnos y animarnos cuando más lo necesitamos. Sin ustedes nuestro paso por la carrera no hubiera sido lo mismo, no hubiera sido tan especial… A nuestras familias por apoyarnos: a nuestros padres y suegros, hermanos, sobrinos y abuelos, que siempre han estado atentos y que incluso, han aprendido un poquito de Telecomunicaciones. A Roxinita, Hermoso y Ángel Vásquez por su ayuda durante la investigación. A todos los profesores que durante la carrera nos han enseñado lo maravillosa que es esta especialidad, por compartir sus conocimientos y aportar su granito de arena en nuestra formación como profesionales. Hay nombres que no podemos dejar de mencionar, que recordaremos con especial cariño y admiración, y que son para nosotros un modelo a imitar en lo profesional: Alberto Cowley, Pablo, María del Carmen y Yusley LLorente. A nuestro super tutor: Dioén Biosca, a quien agradecemos por sus consejos

y

su

apoyo

incondicional

durante

la

realización de este trabajo de diploma.

Irania y Andy.

DEDICATORIA

A mis padres, Irania González y Rolando Morán, a Andy por compartir esta aventura y las que faltan.

Irania.

A mis padres, María Isabel Lao y Mario Herrera, a mi abuela Lilia.

Andy.

“La mayoría de las ideas fundamentales de la ciencia son esencialmente sencillas y, por regla general pueden ser expresadas en un lenguaje comprensible para todos”. Albert Einstein.

DECLARACIÓN DE AUTORÍA Los autores de este trabajo: Irania Aniari Moran González y Andy Herrera Lao, bajo la tutoría del Dr. Dioén Biosca Rojas, damos la autorización al Departamento de Telecomunicaciones y Telemática del Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” para que el presente trabajo sea utilizado en posteriores consultas o referencias bibliográficas. Para que así conste se firma la presente en Ciudad de la Habana, Cuba, a los ____días del mes _______________ de 2015.

________________________ Irania Aniari Moran González

___________________ Andy Herrera Lao

RESUMEN

El Alumbrado Público en Cuba presenta deficiencias que tienen un impacto negativo en la economía del país. Esto se debe a que no se cuenta con un sistema que brinde información sobre el estado y funcionamiento de las luminarias. Este proyecto surge con el objetivo lograr una gestión en tiempo real de la operativa del alumbrado público para nuestro país que contribuya a la reducción del consumo energético y del gasto económico. Para lograrlo, se emplearán las nuevas tecnologías comunicaciones inalámbricas, que desde hace una década han tenido un rápido desarrollo, en combinación con los recientes avances en las tecnologías de sensores. Contribuyendo al surgimiento de una nueva, atractiva y desafiante área de investigación: las Redes de Sensores Inalámbricos. Identificada por el MIT en febrero de 2003 entre las 10 tecnologías emergentes que cambiarán el mundo. Es por ello que se propone el diseño de una Red de Sensores Inalámbricos con una Plataforma de Gestión que garantice en tiempo real la entrega de información sobre el funcionamiento de las lámparas. Durante del trabajo se realizará un estudio del Alumbrado Público y las posibles variantes de despliegue de la Red de Sensores Inalámbricos. Se realizará el diseño de esta para dos casos de estudio propuestos en escenarios diferentes, donde las características del Alumbrado son cuidadosamente tomadas en cuenta. La correcta comunicación inalámbrica se demostrará mediante la simulación de una de las soluciones. Y se desarrollará la Plataforma de Gestión Web para garantizar el control y monitoreo del alumbrado público. La factibilidad de la solución se comprobará mediante un estudio económico realizado para los dos casos de estudio propuestos. Por último, se presentarán diversas recomendaciones para realizar mejoras a la red y a la plataforma de gestión para ofrecer un Sistema de Alumbrado Público aún más eficiente.

ABSTRACT

Public Lighting in Cuba has deficiencies which have a negative impact on the economy. This is because they don't have a system to provide information on the status and operation of the luminaires. This project was created with the aim to achieve real-time operation management of street lighting for our country to contribute to the reduction of energy consumption and economic output. To achieve this, the new wireless communications technologies, which for a decade have had a rapid development, combined with recent advances in sensor technologies will be used. All this contributing to the emergence of a new, attractive and challenging research area: the Wireless Sensor Networks. Identified by MIT in February 2003 among the 10 emerging technologies that will change the world. That is why is proposed as a solution the design of a Wireless Sensor Network with Management Platform real-time delivery of information on the functioning of the lamps. During this paper, a study of street lighting and possible variants of deployment of Wireless Sensor Network will be held. The design of this case study for two different scenarios proposed, where the characteristics of lighting are carefully taken into account is held. The correct wireless communication will be demonstrated by simulation of one of the solutions. And the Web Management Platform will be developed to ensure the control and monitoring of street lighting. The feasibility of the solution will be checked by an economic study for the two proposed case studies. Finally, several recommendations are presented for improvements to the network and management platform to deliver an even more efficient Public Lighting System.

ÍNDICE Introducción ............................................................................................................................ 1

Capítulo 1 “Teoría sobre las Redes de Sensores Inalámbricos”. 1.1

Introducción. ............................................................................................................................6

1.2

Surgimiento y Estado del Arte de las WSN. .......................................................................7

1.3

Red de Sensores Inalámbricos. ...........................................................................................8

1.4

Elementos que Componen una WSN. ................................................................................9

1.4.1

Nodos Inalámbricos. ................................................................................................... 10

1.4.2

Puerta de Enlace. ........................................................................................................ 12

1.4.3

Estación Base. ............................................................................................................. 12

1.5

Topología de red.................................................................................................................. 13

1.5.1

Topología en Estrella .................................................................................................. 13

1.5.2

Topología en Malla. .................................................................................................... 13

1.5.3

Topología Híbrida Estrella-Malla. .............................................................................. 14

1.6

Tecnología de Comunicación ZigBee. ............................................................................. 15

1.6.1

Tipos de Dispositivos ZigBee y Modos de Operación. .......................................... 15

1.6.2

Arquitectura. ................................................................................................................. 17

1.6.3

Seguridad en Redes ZigBee. ..................................................................................... 20

1.7

Comparación entre ZigBee y otros Estándares Inalámbricos. ..................................... 21

1.7.1

ZigBee vs Bluetooth. ................................................................................................... 21

1.7.2

ZigBee vs Wi-fi. ............................................................................................................ 22

1.7.3

Coexistencia entre ZigBee y otros Estándares Inalámbricos. .............................. 22

1.8

Herramientas de Simulación. ............................................................................................. 24

1.9

Aplicaciones de las WSN. .................................................................................................. 24

1.10

Conclusiones del Capítulo. ................................................................................................ 25

Capítulo 2 “Análisis de las Variantes de Aplicación de redes WSN al Alumbrado Público”. 2.1

Introducción. ......................................................................................................................... 26

2.2

Requisitos Generales del Alumbrado. .............................................................................. 27

2.2.1

Escenario 1: Entorno Urbano. ................................................................................... 29

2.2.2

Escenario 2: Entorno Suburbano. ............................................................................. 30

2.2.3

Escenario 3: Entorno Rural. ....................................................................................... 30

2.3

Análisis de las Luminarias Actuales. ................................................................................ 30

2.3.1

Lámparas de Vapor de Sodio a Alta Presión. ......................................................... 31

2.4

Propuesta de Cambio de Luminarias VSAP a Tecnología LED. ................................. 31

2.5

Selección de Luminarias LED. .......................................................................................... 32

2.5.1 Matriz de Ponderación de Criterios para la Selección de Equivalentes LED para VSAP 150W.................................................................................................................................. 33 2.5.2 Matriz de Ponderación de Criterios para la Selección de Equivalentes LED para VSAP 250W.................................................................................................................................. 34 2.6

Análisis de Variantes de Control. ...................................................................................... 34

2.6.1

Control Individual. ........................................................................................................ 34

2.6.2

Circuito Exclusivo de Alumbrado Público. ............................................................... 35

2.7

Establecimiento de Variantes de Red WSN. ................................................................... 36

2.7.1 Criterios de Selección de Variantes de Despliegue de Red WSN para las Redes de Alumbrado. .............................................................................................................................. 36 2.8

Variantes para Entorno Urbano......................................................................................... 37

2.8.1

Control Individual. ........................................................................................................ 37

2.8.2

Control en Grupos de 3 lámparas. ............................................................................ 39

2.8.3

Control en Grupos Mayores de 3 lámparas. ........................................................... 40

2.8.4 Matriz de Ponderación de Criterios para Elegir la Variante de Control en el Entorno Urbano............................................................................................................................ 41 2.9

Variantes para Entorno Suburbano. ................................................................................. 42

2.9.1

Control Individual. ........................................................................................................ 42

2.9.2

Control en Grupos de 3 lámparas. ............................................................................ 43

2.9.3

Control en Grupos Mayores de 3 lámparas. ........................................................... 44

2.9.4 Matriz de Ponderación de Criterios para Elegir la Variante de Control en el Entorno Suburbano. .................................................................................................................... 45 2.10

Entorno Rural. ...................................................................................................................... 45

2.10.1

Control Individual. ........................................................................................................ 46

2.10.2

Control en Grupos de 3 lámparas. ............................................................................ 46

2.10.3

Control en Grupos Mayores de 3 lámparas. ........................................................... 47

2.10.4 Matriz de Ponderación de Criterios para Elegir la Variante de Control en el Entorno Rural. .............................................................................................................................. 48

2.11

Conclusiones del Capítulo. ................................................................................................ 49

Capítulo 3 “Diseño y Simulación de la WSN para los Casos de Estudio Propuestos”. 3.1

Introducción. ......................................................................................................................... 51

3.2

Consideraciones Generales de Diseño. .......................................................................... 52

3.2.1

Requisitos de la Red. .................................................................................................. 52

3.2.2

Descripción de los Recursos. .................................................................................... 53

3.3 Caso de Estudio 1: WSN para el Control de Alumbrado Público en la Zona Urbana Vedado .............................................................................................................................................. 58 3.3.1

Zona de Operación ...................................................................................................... 58

3.3.2 Caso de estudio 2: WSN para el Control de Alumbrado Público en la Zona Rural Itabo .................................................................................................................................... 60 3.3.3 3.4

Análisis de riesgos en la comunicación de la red WSN ........................................ 63

Simulación en OMNet++. ................................................................................................... 63

3.4.1

Modelo IEEE 802.15.4 para OMNeT++/INET. ........................................................ 64

3.4.2

Escenario de Simulación. ........................................................................................... 64

3.4.3

Configuración de los Parámetros. ............................................................................. 68

3.5

Diseño de la Plataforma de Gestión. ................................................................................ 68

3.5.1

Programas Requeridos para el Diseño. ................................................................... 68

3.6

Estructura de la Plataforma de Gestión. .......................................................................... 69

3.7

Descripción de las Páginas................................................................................................ 71

3.8

Programación de la Plataforma. ........................................................................................ 73

3.9

Estructura de la Base de Datos del Sistema................................................................... 74

3.10

Funcionamiento de la Plataforma de Gestión. ................................................................ 75

3.10.1

Actualización de la Plataforma con los datos de la red. ........................................ 75

3.11

Mensajes de Intercambio Plataforma-Red. ..................................................................... 76

3.12

Manejo del Consumo y Visualización Gráfica en la Plataforma de Gestión. ............. 77

3.13

Demostración del Funcionamiento del Sistema de Gestión. ........................................ 78

3.13.1

Simulación del Nodo en Proteus. .............................................................................. 78

3.13.2

Ensayos Realizados entre la Plataforma de Gestión y el Nodo Simulado. ........ 83

3.14

Conclusiones del Capítulo. ................................................................................................ 86

Capítulo 4 “Análisis Económico Completo para los Casos de Estudio Propuestos”. 4.1

Introducción. ......................................................................................................................... 87

4.2

Horas de Funcionamiento del Alumbrado Público. ........................................................ 88

4.3

Zona Urbana Vedado.......................................................................................................... 88

4.3.1

Estudio energético del Sistema con Luminarias VSAP. ........................................ 88

4.3.2

Análisis de Gastos. ...................................................................................................... 89

4.3.3

Estudio Energético del Sistema con Lámparas LED. ............................................ 90

4.3.4

Análisis de Gastos. ...................................................................................................... 91

4.3.5

Estudio energético del Sistema con Lámparas LED y Control mediante WSN. 92

4.3.6

Análisis de Gastos. ...................................................................................................... 93

4.3.7

Comparación entre los Tres Tipos de Sistema para la Zona Urbana Vedado. . 95

4.4

Zona Rural Itabo. ................................................................................................................. 96

4.4.1

Estudio energético del Sistema con Luminarias VSAP. ........................................ 96

4.4.2

Análisis de Gastos. ...................................................................................................... 97

4.4.3

Estudio energético del Sistema con Lámparas LED.............................................. 97

4.4.4

Análisis de Gastos. ...................................................................................................... 98

4.4.5

Estudio energético del Sistema con Lámparas LED y Control mediante WSN. 99

4.4.6

Análisis de Gastos. .................................................................................................... 101

4.4.7

Comparación entre los Tres Tipos de Sistema para la Zona Rural Itabo......... 102

4.5

Conclusiones del Capítulo. .............................................................................................. 104

Conclusiones ...................................................................................................................... 106 Recomendaciones .............................................................................................................. 108 Glosario .............................................................................................................................. 109 Referencias Bibliográficas................................................................................................... 112 Bibliografía .......................................................................................................................... 116

Anexos: Anexo A “Desarrollo Industrial de las Redes de Sensores Inalámbricos en los últimos años”. Anexo B “Comparativa de las principales características de los dispositivos inalámbricos”. Anexo C “Tecnologías de Comunicación”. Anexo D “Requerimientos para el Alumbrado Público”. Anexo E “Características Técnicas de Xbee Pro Serie 2”. Anexo F “Instalación de aplicaciones necesarias para la Plataforma de Gestión”. Anexo G “Plataforma de Gestión”. Anexo H “Módulo de Procesamiento: Arduino Uno”.

INTRODUCCIÓN Las redes de sensores inalámbricos o WSN del inglés Wireless Sensor Networks constituyen un puente sin precedentes entre el mundo físico y el virtual. Esto se hace posible gracias a la integración de nodos sensores con la habilidad de monitorear una amplia gama de parámetros físicos como son la iluminación, la humedad, la vibración, la proximidad, etc. y con capacidad de comunicación inalámbrica, pequeño tamaño y bajo consumo de potencia, cuyas características hacen que esta tecnología pueda ser empleada en una amplia gama de aplicaciones en la industria, la ciencia, el transporte, la infraestructura civil y la seguridad. Actualmente pueden apreciarse en numerosos países redes WSN desplegadas para operaciones de recuperación de desastres, mapeo de biodiversidad, monitoreo de puentes y estructuras, monitoreo de cultivos, reducción del desperdicio de energía en sistemas de alumbrado, entre otros. Este último constituye un aspecto importante para las ciudades. Por lo que, una correcta gestión de este servicio es un proceso estratégico. En el caso de la iluminación en los sectores residenciales y sus establecimientos más importantes (los hospitales, las escuelas, las fábricas, etc.) es requerido su correcto funcionamiento ya que de él depende, en gran medida, la seguridad de estas instalaciones. En el caso de nuestro país, se utilizan luminarias de vapor de mercurio o de sodio las cuales presentan altos consumo de energía, aunque es necesario resaltar que en la actualidad se está llevando a cabo un proceso de cambio progresivo de las lámparas del alumbrado público de este tipo por las de tecnología LED, que se realiza desde 2014, según [1]. En la red de alumbrado público nacional las luminarias se encuentran agrupadas por sectores y la gestión de esta red se realiza fundamentalmente por dos vías: -

Método Semiautomático: las luminarias poseen un control local basado en una fotocelda, encargada de prender o apagar la lámpara según el nivel de la iluminación ambiental. La desventaja de este método radica en el nivel de luz detectado por la fotocelda, que puede verse afectado por diversos factores: en un 1

día nublado, por ejemplo, el nivel de iluminación puede coincidir con el establecido en la fotocelda y la lámpara puede estar encendida durante el día. También la acumulación de residuos del entorno sobre la fotocelda puede afectar el nivel de iluminación detectado por esta, ocasionando un mal funcionamiento de la lámpara.

-

Método Manual: consiste en una persona encargada de encender o apagar manualmente los circuitos que integran un sector determinado. Este método tiene como desventaja que al depender del factor humano, está sujeto a fallos, puede darse el caso de que las luminarias no se enciendan al anochecer o que no se apaguen durante el día.

Como se puede observar, el principal problema del sistema de alumbrado público es que no se cuenta con un sistema remoto y centralizado, que permita predecir problemas futuros o identificar problemas reales en el momento, esto trae consigo altos costos en mantenimiento, consumos de energía adicionales, reposición de los activos eléctricos, problemas de seguridad, etc, como se explica en [2]. La gestión no es lo más eficiente posible debido a los problemas actuales del sistema de iluminación pública existentes: -

No se conoce en tiempo real el estado de las luminarias.

-

No existe la posibilidad de actuar sobre el estado o la intensidad de las luminarias, para ahorrar energía.

-

No se conocen las horas de funcionamiento de las luminarias.

-

En caso de daños no se conocen los sitios exactos donde ocurrió el suceso.

-

Actualmente no existe la posibilidad de realizar un control remoto sobre la red.

También se ve afectada la gestión del mantenimiento. El sistema de iluminación pública utilizado en la actualidad requiere de una serie de personas encargadas exclusivamente a la revisión y mantenimiento de las luminarias, a través de la observación directa lo que implica altos costos de personal, gran cantidad de cuadrillas

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y carros canastas y poca eficacia en la solución de problemas de las luminarias en el terreno, según [2]. Por lo tanto el problema a resolver sería el siguiente: La no existencia de una plataforma de gestión eficiente del alumbrado público que permita la reducción de costos por consumo eléctrico y la gestión inteligente de la red de alumbrado empleando las nuevas tecnologías de conexión inalámbricas. El objetivo general que se persigue es diseñar y simular una red WSN para el monitoreo de los factores del entorno que influyan en el funcionamiento de la red de alumbrado público, así como el diseño de la plataforma de gestión remota para este Sistema.

Durante el desarrollo de este proyecto final de carrera se han concebido los siguientes objetivos específicos: 1. Definir posibles escenarios de despliegue de la WSN a partir de las características de la red de alumbrado para cada uno de ellos. 2. Proponer la variante óptima de despliegue WSN para cada escenario. 3. Diseñar la red WSN para dos casos de estudio, caso 1: “Zona Urbana Vedado” y caso 2: “Zona Rural Itabo”. 4. Simular la WSN. 5. Diseñar la Plataforma de Gestión para el Alumbrado Público. 6. Realizar un Estudio Económico que permita analizar la factibilidad de la solución propuesta en los dos casos de estudio. En ese sentido el objeto de estudio son los sistemas de alumbrado público, las redes de conexión inalámbrica y las plataformas de gestión basadas en tecnología web. Para dar cumplimiento a los objetivos planteados se trazaron las siguientes tareas: 1. Estudio de las redes de sensores inalámbricos, sus estándares de comunicación inalámbricos y protocolos de comunicación. 2. Estudio del alumbrado público.

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3. Estudio de las tecnologías existentes para la gestión del alumbrado en Cuba. 4. Estudio de los kit para el desarrollo de la red WSN y soluciones comerciales más eficientes. 5. Diseño de la red de sensores propuesta, profundizando en su teoría de funcionamiento. 6. Estudio de las herramientas de simulación adecuadas. 7. Diseño de la plataforma web para la gestión del sistema. 8. Instalación de los módulos para el trabajo con WSN. 9. Estudio de factibilidad económica. El trabajo se ha estructurado en 4 capítulos de la siguiente manera: El Capítulo 1, titulado “Teoría sobre las Redes de Sensores Inalámbricos” presenta el surgimiento y desarrollo de las WSN, así como sus principales características, los elementos que componen este tipo de redes y las topologías que pueden formar. Seguidamente se estudia la tecnología de comunicación que ha impulsado la utilización de estas redes: ZigBee, describiendo su arquitectura y los elementos relacionados con la seguridad, además se establece una comparación con otros estándares inalámbricos. Se mencionan las herramientas de simulación disponibles para las redes inalámbricas. Se analiza la coexistencia de Zigbee y otros estándares inalámbricos. Por último se nombran algunos de los diversos campos de aplicación en los que podemos encontrar las WSN. El Capítulo 2, “Análisis de las Variantes de Aplicación de redes WSN al Alumbrado Público” presenta el análisis de los requisitos generales del alumbrado así como las formas de control que existen actualmente, lo cual permitirá definir los posibles escenarios de despliegue de la WSN. Además se propondrá la sustitución de las luminarias actuales por otras que serán más eficientes trabajando en conjunto con la red propuesta. Por último se exponen las variantes posibles de despliegue para cada entorno, las cuales se evaluarán para seleccionar la más óptima para cada uno. En el Capítulo 3, “Diseño y Simulación de la WSN para los Casos de Estudio propuestos”, se proponen dos casos de estudio, uno enmarcado en la zona urbana y

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otro en la zona rural, para los que se realizará el diseño de la WSN teniendo en cuenta las características del alumbrado en cada entorno y la variante de despliegue óptima para cada uno. Adicionalmente se seleccionarán los módulos que componen los nodos inalámbricos, teniendo en cuenta sus características y la compatibilidad entre ellos. Además, se presentará el diagrama de la red para ambos casos. Por otro lado, se realizará la simulación de la red propuesta para un caso de estudio, lo cual permitirá comprobar el correcto funcionamiento del diseño propuesto. Se presenta, el diseño de la Plataforma de Gestión explicando los pasos seguidos para su desarrollo, así como su funcionamiento. Por último se mostrarán ejemplos de la interacción entre la Plataforma y un nodo de la WSN. En el Capítulo 4, “Análisis Económico Completo para los Casos de Estudio Propuestos” se realizará la comparación de tres variantes de funcionamiento del Sistema de Alumbrado, se analizará el consumo y el gasto que estas generan en un período de 10 años. Lo cual permitirá comprobar si la solución propuesta en el presente trabajo de diploma es la más factible.

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CAPÍTULO 1

“Teoría sobre las Redes de Sensores Inalámbricos”.

1.1

Introducción.

La idea de una red de sensores surge gracias a las posibilidades que brinda esta tecnología de crear una red de dispositivos de captura constante, que permita registrar y almacenar una determinada información, transmitir datos de un dispositivo a otro, y después retransmitir toda la información para almacenarla en una localización central. Teniendo siempre en cuenta que todo ello funcionará con un gasto de energía muy reducido. Una red de este tipo es un flexible y poderoso instrumento para poder monitorizar complejos sistemas, donde situar los sensores puede ser imposible de cualquier otra manera. El objetivo de la recolección de datos por los sensores en la monitorización, es la obtención de los mismos teniendo como única limitación las características de los sensores. Si bien parece que los sensores han estado ya por un tiempo, la investigación sobre Redes de Sensores Inalámbricos (Wireless Sensor Networks ó WSN por sus siglas en inglés) comenzó en la década de 1980, y es sólo a partir de 2001 que WSN ha generado un mayor interés por parte de la industria y perspectivas de investigación. Esto es debido a la disponibilidad de bajo costo, baja potencia en miniatura de componentes, que a menudo se han integrado en un solo chip. En este Capítulo, se expone la teoría básica para comprender en qué consiste una WSN, qué elementos la componen, cómo funciona, el estado del Arte de esta tecnología y se mencionan, además, algunas aplicaciones donde se pueden encontrar actualmente.

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1.2

Surgimiento y Estado del Arte de las WSN.

El desarrollo de las WSN fue inspirado por aplicaciones militares, en especial de vigilancia en las zonas de conflicto. Hoy en día, consisten en dispositivos distribuidos independientes que utilizan sensores para supervisar las condiciones físicas con sus aplicaciones extensivas a la infraestructura industrial, la automatización, la salud, el tráfico, y muchas áreas de consumo. La investigación sobre WSN se remonta a principios del 1980, cuando la Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa (DARPA) llevó a cabo el programa de Redes de Sensores Distribuidos (DSN) para los militares de Estados Unidos, de acuerdo con [3]. Se supuso que los DSN tendrían muchos nodos de sensores de bajo coste distribuidos espacialmente, colaborando entre ellos, pero operado de manera autónoma, dirigiendo la información al nodo que pueda utilizarla mejor. A pesar de que los primeros investigadores en redes de sensores tuvieron la visión de un DSN en mente, la tecnología no estaba lista para ello. Más específicamente, los sensores tenían un gran tamaño (es decir, el tamaño de una caja de zapatos y más grande), y el número de aplicaciones potenciales era por lo tanto limitado. Además, los primeros DSN no estaban estrechamente asociados con la conectividad inalámbrica. Los últimos avances en la informática, las comunicaciones y la tecnología microelectrónica tienen como resultado un cambio significativo en la investigación y WSN ha supuesto su acercamiento a la visión original. La nueva ola de la investigación sobre WSN comenzó alrededor de 1998 y ha estado atrayendo cada vez más atención y participación internacional, enfocada principalmente en la creación de redes más adecuadas para el procesamiento de información en entornos altamente dinámicos (Ad Hoc) y recursos limitados en los nodos sensores. Por otra parte, los nodos sensores han disminuido mucho en tamaño (es decir, desde de un grupos de tarjetas hasta partículas de polvo) y son mucho más baratos en el precio, y por lo tanto con muchas nuevas aplicaciones civiles. Actualmente, las WSN han sido vistas como una de las tecnologías más importantes para el siglo 21, acorde con [3]. China, por ejemplo, tiene WSN incluidas en su programa de investigación estratégica nacional, como se comenta en la fuente [4]. Como resultado, la comercialización de WSN se está acelerando y muchas nuevas empresas tecnológicas están surgiendo como Crossbow 7

Technology, Dust Networks y Libelium. Los dispositivos inalámbricos a instalarse en campos industriales incrementarán por 553% entre 2011 y 2016, cuando habrá 24 millones de sensores y actuadores inalámbricos habilitados, o puntos de detección, desplegados en todo el mundo. Entre éstos, el 39% se utilizarán para nuevas aplicaciones que sólo son posibles con la creación de WSN. Para el año 2014, el número de dispositivos WSN era del el 15% de toda la medición industrial y equipos de control en puntos de detección, y se estima el 33% en 2016, de acuerdo con [3], y que se muestra en detalle en el Anexo A (fig. A.1 y A.2). 1.3

Red de Sensores Inalámbricos.

Una WSN generalmente se puede describir como cientos o miles de dispositivos llamados nodos, capaces de recoger, procesar y enviar muestras de un entorno, para así monitorizar ciertos fenómenos físicos o controlar ciertos objetos en un área determinada, según se define en [5]. Las redes de sensores están distribuidas en un área específica y los nodos pueden ser estacionarios o móviles. Una red de nodos móviles, forman una red Ad Hoc capaz de realizar ruteo entre ellos. Su formación es por auto-configuración sobre una topología física arbitraria, bajo modificación frecuente por los movimientos, salidas, llegadas y fallas de los nodos participantes. Entre las características que poseen las redes de sensores, referidas en [6], se encuentran las siguientes: -

Tamaño y peso reducido de los nodos: dependiendo de la aplicación los sensores pueden llegar a medir milímetros o micrómetro, por lo que se suele utilizar en estos casos el nombre polvo inteligente (en inglés Smart dust).

-

Aplicación específica: Debido a la diversidad de tecnología en el sector de las WSN, se tiene la posibilidad que para resolver un problema se tenga más de una solución en ingeniería, dando versatilidad en su uso.

-

Interacción con el ambiente: Al estar en continua interacción los sensores con el ambiente, se tiene un tráfico irregular relacionado con ráfagas, ya que en el momento en ocurra un cambio perceptible por el sensor, se eleva el tráfico.

8

-

Energía (alimentación): El consumo de energía de las redes WSN es bajo y eficiente.

-

Desplegado AD-HOC: El sistema debe adaptarse a los cambios en la conectividad de la red como resultado de las fallas del nodo.

-

Tolerancia a fallas: El no funcionamiento o falla de un sensor no debe de afectar el funcionamiento de la red; si un nodo falla, los protocolos MAC y de ruteo deben re direccionar la información. Es decir, se requieren niveles de redundancia para la tolerancia a fallas.

1.4

Elementos que Componen una WSN.

Formadas por nodos sensores, que pueden imaginarse como pequeñas computadoras con capacidad limitada de cómputo y comunicación, cuyo tiempo de vida depende de una batería adjunta al dispositivo. La información obtenida por los nodos sensores se encamina por otro componente de la red denominado puerta de enlaces (en inglés Gateway), diseñado para calcular y distribuir las tablas de enrutamiento. Para hacer llegar la información a los usuarios finales se utilizan las estaciones base, que son uno o más componentes de la WSN caracterizados por mucho más poder computacional, energía y recursos de comunicación. Estos actúan como puerta de enlace entre los nodos y los usuarios finales, según [5]. Por lo tanto en una WSN, se pueden encontrar nodos inalámbricos, puertas de enlace y estaciones base como podemos apreciar en la figura 1.1.

Fig. 1.1 Red Inalámbrica de Sensores.

9

1.4.1 Nodos Inalámbricos. Son dispositivos electrónicos ligeros capaces de captar información proveniente del entorno en el que se encuentran, procesarla y transmitirla hacia otro destinatario. Diseñar un nodo no se reduce a miniaturizar un ordenador personal. Hay que tener en cuenta que se quiere un espacio reducido, un consumo muy bajo de energía y un coste de los dispositivos reducido como se considera en [7]. El hardware de cada uno de estos dispositivos tiene varias partes bien diferenciadas como se puede apreciar en la figura 1.2.

Fig. 1.2 Arquitectura de un nodo inalámbrico.

1.4.1.1 Procesador. Es el componente que interpreta y procesa los datos para transmitirlos a otra estación. También gestiona el almacenamiento de datos en la memoria. Puesto que de un nodo sensor se espera una comunicación y una recogida de datos mediante sensores, debe existir una unidad de procesado, que se encargue de gestionar todas estas operaciones. Hay muchos tipos diferentes de productos disponibles en el mercado para ser integrados en un nodo, como microcontroladores, microprocesadores y FPGA. 1.4.1.2 Alimentación. Normalmente la fuente de alimentación son baterías difícilmente sustituibles o transformadores con salida adecuada para el nodo si se dispone de toma de corriente. El consumo de energía viene dado por lo que consumen los sensores, la comunicación y el procesado. La mayor cantidad de energía es consumida en la transmisión de información, siendo menor en el procesado y uso de los sensores. Por ejemplo el coste

10

de transmisión de 1 Kb, a una distancia de 100 metros, es aproximadamente el mismo que ejecutar 3 millones de instrucciones por un procesador de 100 millones de instrucciones por segundo, según [7]. 1.4.1.3 Comunicación Inalámbrica. El dispositivo de comunicación se trata de un dispositivo vía radio que permite enviar y recibir datos para comunicarse con otros dispositivos dentro de su rango de transmisión. Los nodos usan la banda ISM que son bandas reservadas internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética en áreas industrial, científica y médica. El uso de estas bandas de frecuencia está abierto a todo el mundo sin necesidad de licencia, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida. La radio frecuencia, RF, es la más adecuada para usar en aplicaciones inalámbricas. Las WSN usan las frecuencias de comunicación entre 433 MHz y 2.4 GHz. Las funcionalidades de emisión y recepción se combinan en un solo aparato que es llamado transceptor, según [7]. Los estados de operación son emitir, recibir, dormir e inactividad. En los actuales modelos de transceptor, el modo inactivo consume casi igual que el modo recepción. Por lo que es mejor tener completamente apagado las comunicaciones radio, en el modo Inactivo, cuando no se está emitiendo ni recibiendo. También es significativa la cantidad de energía consumida cuando cambia de modo durmiente a transmisión de datos. De acuerdo con [7], los transceptores más populares dentro de los sistemas de comunicación de radio para nodos de redes inalámbricos son: 

Chipcon CC1000



Chipcon CC1020



Chipcon CC2420



Xemics XE1205



802.15.4 Chipsets and SoC

Una comparativa de las principales características de estos dispositivos, expuestas en [7], puede observarse en el anexo B (tabla B.1 y tabla B.2)

11

1.4.1.4 Sensores. Los sensores son dispositivos hardware que producen una respuesta medible ante un cambio en un estado físico, como puede ser temperatura o presión. Los sensores detectan o miden cambios físicos en el área que están monitorizando. La señal analógica continua detectada es digitalizada por un convertidor analógico digital y enviada a un controlador para ser procesada, como refiere [7]. Las características y requerimientos que un sensor debe tener son un pequeño tamaño, un consumo bajo de energía, operar en densidades volumétricas altas, ser autónomo y funcionar desatendidamente y tener capacidad para adaptarse al ambiente. 1.4.1.5 Memoria. Desde un punto de gasto de energía, las clases más relevantes de memoria son la memoria integrada en el chip de un microcontrolador y la memoria flash, la memoria RAM fuera del chip es raramente usada. Las memorias flash son usadas gracias a su bajo coste y su gran capacidad de almacenamiento. 1.4.2 Puerta de Enlace. Es un nodo especial sin elemento sensor, cuyo objetivo es actuar como puente para la interconexión entre la red de sensores y una red de datos (TCP/IP), de acuerdo con [7]. En este tipo de aplicaciones donde se usan redes de sensores, éstas no pueden operar completamente aisladas y deben contar con alguna forma de monitoreo y acceso a la información adquirida por los nodos de la red de sensores. De aquí surge la necesidad de conectar las redes de sensores a infraestructuras de redes existentes tales como Internet, redes de área local (LAN) e intranets privadas. Los dispositivos que realizan la función de interconectar dos redes de diferente naturaleza se les llama dispositivo puerta de enlace; pero el término más conocido en el ambiente de las redes es Gateway, según [8]. 1.4.3 Estación Base. Recolector de datos basado en un ordenador común o sistema empotrado. En una estructura normal todos los datos van a parar a un equipo servidor dentro de una base

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de datos, desde donde los usuarios pueden acceder remotamente y poder observar y estudiar los datos. 1.5

Topología de red.

Hay varias topologías que pueden ser usadas para implementar una aplicación de WSN como pueden ser estrella, malla o una híbrida entre ellas dos. Cada topología presenta desafíos, ventajas y desventajas. 1.5.1 Topología en Estrella La topología WSN más simple es la estrella de un solo salto como se muestra en la figura 1.3. Cada nodo en esta topología comunica sus mediciones directamente a la puerta de enlace, usualmente a una distancia de 30 a 100 metros. Esta topología es considerada por desarrollar un menor gasto de energía. Sin embargo, la limitación de esta topología radica en sus malas propiedades de escalabilidad, robustez y tolerancia a fallos. Puesto a que se encuentra limitada por la distancia de transmisión vía radio entre cada nodo y la puerta de enlace, de acuerdo con lo planteado en [9].

Fig. 1.3 Topología en estrella conectada de un solo salto.

1.5.2 Topología en Malla. Para las áreas y redes más grandes, el enrutamiento multi-salto es necesario. Dependiendo de la forma en que se colocan, los nodos podrían formar un gráfico de malla arbitraria como aparece en la figura 1.4 (a) o pueden formar un gráfico de comunicación más estructurada tal como la estructura de rejilla 2D mostrada en la Figura 1.4 (b), según [9]. Cada nodo puede enviar y recibir información de otro nodo y de la puerta de enlace. A diferencia de la topología en estrella, donde los nodos solo

13

pueden hablar con la puerta de enlace. Este tipo, también es altamente tolerante a fallos ya que cada nodo tiene diferentes caminos para comunicarse con la puerta de enlace, como refiere [7].

Fig. 1.4 Topología en malla (a) malla multi-salto (b) malla estructurada.

1.5.3 Topología Híbrida Estrella-Malla. Este tipo de red busca combinar las ventajas de los otros dos tipos, la simplicidad y el bajo consumo de una topología en estrella, así como la posibilidad de cubrir una gran extensión y de reorganizarse ante fallos de la topología en malla. Este tipo crea una red en estrella alrededor de enrutadores pertenecientes a una red en malla. Los enrutadores dan la posibilidad de ampliar la red y de corregir fallos en estos nodos y los nodos finales se conectan con los enrutadores cercanos ahorrando energía, según lo expuesto en [7].

Fig. 1.5 Topología Híbrida Estrella- Malla.

14

1.6

Tecnología de Comunicación ZigBee.

De acuerdo con [11], ZigBee es una especificación de un conjunto de protocolos para permitir la comunicación inalámbrica a alto nivel entre dispositivos. De este modo el integrador ha de preocuparse únicamente de las tramas de datos que se intercambian los dispositivos, siendo el protocolo ZigBee el que se encarga del resto de tareas. ZigBee está dirigido en aplicaciones de radiofrecuencia que requieren una baja tasa de datos, batería de larga duración y la creación de redes seguras. Por lo tanto, se organizó como una estructura muy sencilla y que ofrece un bajo precio, según [12]. Las señales de radio requieren una gran cantidad de energía. De acuerdo con la Ley Cuadrática Inversa planteada en [10], cada vez que se duplica la distancia, se necesita cuatro veces la cantidad de energía (como muestra la figura 1.6), por lo que atravesar largas distancias requiere enormes gastos de energía en comparación con las distancias más cortas. Las Redes de malla ZigBee están diseñadas con la Ley Cuadrática Inversa en mente. Cada transceptor sólo necesita pequeñas cantidades de energía para alcanzar a su vecino más cercano en la red, ubicado a corta distancia. Debido a la adición de nodos a la red, las grandes distancias pueden ser atravesadas sin que ningún nodo necesite acceso a grandes cantidades de energía.

Fig. 1.6 Ley Cuadrática Inversa.

1.6.1 Tipos de Dispositivos ZigBee y Modos de Operación. Desde el punto de su rol en la red, en una red ZigBee pueden existir 3 tipos de dispositivos, como se explica en [12]: 

Coordinador ZigBee (ZC, del inglés ZigBee Coordinator): Es el dispositivo más completo de los tres, puesto que sus funciones son las de controlar y coordinar la 15

red y los caminos que deben seguir las comunicaciones de los otros dispositivos para conectarse entre ellos. Existe exactamente un coordinador ZigBee en cada red, ya que es el dispositivo que inicia la red originalmente. Almacena información sobre la red, incluyendo actuar como Centro de confianza y depósito de claves de seguridad. 

Enrutador ZigBee (ZR, del inglés ZigBee Router): Su función es la de interconectar los dispositivos separados en la topología de la red, además de ofrecer un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario, pasando en los datos de otros dispositivos.



Dispositivo Final ZigBee (ZED, del inglés ZigBee End Device). Estos dispositivos poseen la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre, que ya puede ser el ZR o el ZC, pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos. Es por ello, que este tipo de dispositivo puede estar “dormido” la mayor parte del tiempo aumentando así la vida media de sus baterías. Un ZED tiene requerimientos mínimos de memoria y es por ello significativamente más barato.

1.6.1.1 Fundamentos de Direccionamiento. Para enviar un mensaje de un dispositivo ZigBee a otro, es necesario saber la dirección del dispositivo destino. Cada dispositivo es conocido por varias direcciones, cada una con un propósito diferente: 

Cada dispositivo cuenta con una dirección permanente de 64 bits asignada, la cual se puede observar en el propio dispositivo. Por ejemplo en la figura 4 se puede observar la dirección de 64 bits de un transductor Xbee.

Fig. 1.6 Dirección de 64 bits de un Transductor Xbee.

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

Cada equipo, tiene además, una dirección más corta de 16 bits que se asigna dinámicamente por el coordinador cuando se configura una red. Esta dirección es única solo dentro de la red.



Se asigna una cadena corta de texto llamada identificador de nodo. Este permite que el dispositivo puede ser identificado con un nombre fácil de usar.



Direcciones PAN (Red Inalámbrica Personal o Personal Area Networks por sus siglas en inglés). Esta es otra dirección de 16 bits. Hay 65536 direcciones PAN diferentes disponibles, cada una con la capacidad de generar 65536 direcciones de 16 bits para los dispositivos por debajo de ella. En teoría, por lo tanto, se pueden conectar en total 4 mil millones de dispositivos.



Canales. Los dispositivos deben estar sintonizados en la misma frecuencia. Cuando el coordinador ZigBee recoge una dirección de PAN, también comprueba sobre todos los canales disponibles y escoge uno solo para las conversaciones de esa red. En el caso de los dispositivos Xbee, por defecto, la selección de canales se maneja de forma automática por lo que normalmente no es necesario configurarlo.

De esta manera para que un mensaje se envíe de un dispositivo a otro, estos deben estar en el mismo canal, tener la misma información de PAN y el dispositivo emisor debe conocer al menos, una de las direcciones del dispositivo de recepción, como se explica en [10]. 1.6.2 Arquitectura. ZigBee define dos capas del modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI): La capa de aplicación (APL) y la capa de red (NWL), como se representa anexo C (fig.C.1). El conjunto de protocolos que sigue ZigBee se compone de 4 niveles principales: 

PHY: Nivel Físico.



MAC: Nivel de Control de Acceso al Medio.



NHK: Nivel de Red.



APL: Nivel de aplicación

17

1.6.2.1 Nivel Físico (PHY). La capa física IEEE 802.15.4 es responsable de la transmisión de datos y recepción usando un cierto canal de radio, de acuerdo con una modulación específica y difusión técnica. La relación entre IEEE 802.15.4 y ZigBee es similar a la que existe entre IEEE 802.11 y la Wi-Fi Alliance, de acuerdo con [12]. El IEEE 802.15.4 especifica la operación en las bandas ISM reservadas para uso no comercial, según [12]. Según la región del mundo se operará sobre una frecuencia diferente como se muestra en la Tabla 1.2: Tabla 1.2. Características de transmisión según la banda de frecuencia. Banda Tasa Tasa de PHY Región Frecuencia Modulación de Bits Símbolos Símbolos (MHz) (MHz) (kbps) (ksymbols/s) Europa 868 868 - 868.6 BPSK 20 20 Binario Américas y 915 902 - 928 BPSK 40 40 Binario Australia A Nivel 16-ary 2450 2400 - 2483.5 O-QPSK 250 62.5 Mundial Orthogonal

El protocolo también permite selección dinámica de canal, una función de búsqueda de canales en busca de un faro, la energía del receptor detección, vincular indicación de la calidad y la conmutación de canal. Todas estas bandas de frecuencia se basan en la técnica de modulación Espectro Esparcido por Secuencia Directa (DSSS) con O-QPSK en la banda de 2,4 GHz y BPSK en 868 MHz, según lo expuesto en [13]. Las bandas de frecuencia se encuentran detalladas en el Anexo C (fig.C.2). 1.6.2.2 Nivel de Control de Acceso al Medio (MAC). El Nivel MAC se encarga de manejar todos los accesos que se intentan realizar al nivel de radio físico, se puede apreciar una descripción más detallada en el Anexo C, fig.C.3). El modo de acceso al canal básico es por acceso múltiple por detección de portadora con evasión de colisiones (CSMA / CA), siendo el responsable de las siguientes funciones descritas en [13]: 

Transmisión de la trama de sondeo o baliza de red si el dispositivo es el coordinador.

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

Sincronización de la trama baliza.



Soporte de asociación y disociación de Personal Área Networks (PAN).



Soportar seguridad al dispositivo.



Emplear CSMA/CA (en inglés, Carrier Sense Medium Access/ Collision Avoidance) para acceder al canal.



Transmisiones garantizadas (GTS) o por contención (CAP).



Proveer de un enlace fiable entre entidades MAC pares.

1.6.2.3 Nivel de Red (NWK). Las principales funciones de la capa de red son para permitir el uso correcto de la subcapa MAC y proporcionar una interfaz adecuada para su uso por la capa superior siguiente que es la capa de aplicación. Sus capacidades y la estructura son las típicamente asociadas a las capas de la red, incluyendo el enrutamiento según [12]. Para realizar la unión con el nivel de aplicación, de acuerdo con [13], NWK incluye dos entidades de servicio, las cuales proporcionarán las funcionalidades necesarias que se pueden observar en el anexo C, fig.C.4): 

NWK Layer data Entity (NLDE) que proporciona el servicio de transmisión de datos a través del SAP asociado, el NLDE-SAP.



NWK Layer Management Entity (NLME), que proporciona el servicio de administración a través del SAP asociado, el NLMESAP.

Por un lado, la entidad de datos crea y gestiona unidades de datos de capa de red de la carga útil de la capa de aplicación y realiza el enrutamiento de acuerdo con la actual topología. Además, está el control de la capa, que se utiliza para manejar la configuración de nuevos dispositivos y establecer nuevas redes: se puede determinar si un dispositivo vecino pertenece a la red y descubrir nuevos vecinos y enrutadores. El protocolo de enrutamiento utilizado por la capa de red es AODV o Vector de Distancia Bajo Demanda Ad-hoc. Con el fin de encontrar el dispositivo destino, emite una solicitud de ruta para todos sus vecinos. Los vecinos a continuación, transmitir la solicitud a sus vecinos, etc., hasta que se alcanza el destino. Una vez que se alcanza

19

el destino, envía su respuesta de ruta a través de la transmisión unicast siguiendo el camino de menor coste de vuelta a la fuente. Una vez que la fuente recibe la respuesta, actualizará su tabla de enrutamiento para la dirección de destino con el siguiente salto en el camino y el costo de la ruta. El Nivel de red (NWK) de ZigBee soporta 3 tipos de topologías: Topología en Estrella, Topología en Árbol y Topología en Malla, según [12]. 1.6.2.4 Nivel de Aplicación (APL). El nivel de Aplicación de la torre de protocolos ZigBee será el nivel desarrollado por los fabricantes para personalizar el dispositivo para la finalidad con la que ha sido concebido y el cual está compuesto de 3 secciones: Application Support Sublayer (APS), ZigBee Device Objects (ZDOs) y Application Framework, descritos en [13]. El ZDO es responsable de definir el papel de un dispositivo como coordinador o como dispositivo final, como se mencionó anteriormente. También trabaja en el descubrimiento de nuevos dispositivos (en un-salto) en la red y la identificación de sus servicios ofrecidos. Puede entonces pasar a establecer vínculos seguros con dispositivos externos y responder a las solicitudes de unión en consecuencia. 1.6.3 Seguridad en Redes ZigBee. Uno de los aspectos más característicos de ZigBee son los servicios que ofrece para el soporte de comunicaciones seguras. Se protege el establecimiento y transporte de claves, el cifrado de trama y el control de dispositivos. La seguridad depende de la correcta gestión de las claves simétricas y de la adecuada implementación de los métodos y políticas de seguridad. Las claves son la base de la arquitectura de seguridad y, como tal, su protección es fundamental para la integridad del sistema. Las claves nunca deben transportarse utilizando un canal inseguro, exceptuando la conexión momentánea de la fase inicial que consiste en la unión de un dispositivo sin configuración a una red. Todos los datos de las tramas del nivel de red han de estar cifrados, ya que podría haber dispositivos maliciosos, de forma que el tráfico no autorizado se previene de raíz. De nuevo, la excepción es la transmisión de la clave de red a un dispositivo nuevo, lo que dota a toda la red de un nivel de seguridad único, de acuerdo con [12]. 20

1.6.3.1 Arquitectura de Seguridad. ZigBee utiliza claves de 128 bits en sus mecanismos de seguridad, como se explica en [12]. Una clave puede asociarse a una red (utilizable por los niveles de ZigBee y el subnivel MAC) o a un enlace (en tal caso, adquirida por preinstalación, acuerdo o transporte). Las claves de enlace se establecen en base a una clave maestra que controla la correspondencia entre claves de enlace. Como mínimo la clave maestra inicial debe obtenerse por medios seguros (transporte o preinstalación), ya que la seguridad de toda la red depende de ella. Los distintos servicios usarán variaciones unidireccionales de la clave de enlace para evitar riesgos de seguridad. Una red segura encarga a un dispositivo especial la distribución de claves: el denominado centro de confianza. Las aplicaciones que no requieran un nivel especialmente alto de seguridad utilizarán una clave enviada por el centro de confianza a través del canal inseguro transitorio, según [13]. Por lo tanto, el centro de confianza controla la clave de red y la seguridad punto a punto. Un dispositivo sólo aceptará conexiones que se originen con una clave enviada por el centro de confianza, salvo en el caso de la clave maestra inicial. 1.7

Comparación entre ZigBee y otros Estándares Inalámbricos.

Luego de realizar un análisis de las características de ZigBee, se hace necesario realizar una comparación con respecto a otros estándares inalámbricos para reflejar por qué ZigBee resulta ser la mejor alternativa para el diseño de la red de sensores que se propone. 1.7.1 ZigBee vs Bluetooth. Una red ZigBee puede constar de un máximo de 65535 nodos distribuidos en subredes de 255 nodos, frente a los 8 máximos de una subred Bluetooth. ZigBee tiene un menor consumo eléctrico que el Bluetooth como se puede observar en la tabla 1.3 con términos exactos para los distintos estados expuestos en [7]. Este menor consumo se debe a que el sistema ZigBee se queda la mayor parte del tiempo dormido, mientras que en una comunicación Bluetooth esto no se puede dar, y siempre se está transmitiendo y/o recibiendo

21

Tabla 1.3 Consumo de Zigbee vs Bluetooth. Transmisión Recepción En reposo ZigBee 24 mA 27 mA 30 𝜇A Bluetooth 57 mA 47 mA 0.2 mA

ZigBee tiene una velocidad de hasta 250 kbps, mientras que Bluetooth es de hasta 3 Mbps. Debido a las velocidades de cada uno, uno es más apropiado que el otro para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, mientras que el Bluetooth se usa para aplicaciones como los teléfonos móviles y la informática casera, la velocidad del ZigBee se hace insuficiente para estas tareas, desviándolo a usos tales como la domótica, los productos dependientes de una batería, los sensores médicos, y en artículos de juguetería, en los cuales la transferencia de datos es menor. 1.7.2 ZigBee vs Wi-fi. Wi-fi Se basa en el estándar IEEE 802.11, cuyas principales características son: La velocidad de transferencia del medio depende del estándar que se haga uso. Puede proporcionar una velocidad de 11Mbps (IEEE 802.11b) hasta 108Mbps (IEEE 802.11n), pasando por los 54Mbps del estándar IEEE 802.11g. Esto la hace una tecnología más recomendable que ZigBee en aplicaciones que requieran de gran velocidad. Una red Wi-Fi solo puede llegar a tener hasta 32 nodos, mientras que ZigBee puede constar de un máximo de 65535 nodos. Una tabla comparativa entre las tecnologías inalámbricas anteriormente mencionadas se muestra en el anexo C, Tabla C.1. 1.7.3 Coexistencia entre ZigBee y otros Estándares Inalámbricos. ZigBee tiene muy buen rendimiento anti-interferencias y puede coexistir con otros sistemas de 2.4GHz RF cuando se toman las medidas necesarias. Las redes ZigBee son robustas y fiables y esto se ha demostrado en muchos entornos de RF complejos. Hay muchas grandes ferias de consumo de artículos electrónicos, donde hay miles de Wi-Fi, Bluetooth y otros dispositivos ZigBee. Todos estos operan muy cerca y hay un gran número de dispositivos que comparten la banda de 2,4 GHz, y es muy raro que los dispositivos ZigBee se vean afectados por el medio ambiente, como refiere [15], donde se realiza un estudio sobre la coexistencia de ZigBee con otras tecnologías 22

inalámbricas y proponen los siguientes métodos que se deben adoptar para reducir los efectos de la interferencia en una red ZigBee: 1- Selección de canales que no se solapan. Bluetooth adopta FHSS, puede también coexistir con productos ZigBee. Wireless USB adopta DSSS, sin embargo, su ancho de banda sólo es 1 MHz, de modo que casi no interfiere la red ZigBee, y viceversa. Wi-Fi adopta la técnica DSSS, y es compatible con 14 canales en 2,4 GHz, cada uno con un ancho de banda de 22MHz y una separación de canales de 5 MHz. La superposición de los canales pueden causar interferencia con una red ZigBee, por lo que se recomienda un desplazamiento de 7MHz del centro de frecuencia del canal para lograr una convivencia aceptable con Wi-Fi, estos canales Wi-Fi que no se superponen (1, 7, y 13 para Europa, y 1, 6 y 11 de América del Norte) y deben ser elegidos para evitar interferencias Wi-Fi. En el Anexo A, figura C.5 se pueden observar en detalle el solapamiento de los canales. 2- La separación física y Segura Distancia. ZigBee y Bluetooth conviven muy bien cuando se encuentran fuera del alcance 0,75 m, sin separación física debe ser considerado. Para los teléfonos inalámbricos, se sugiere que los dispositivos ZigBee se mantengan a 10 m de teléfonos inalámbricos que usen DSSS y a 5 m de teléfonos inalámbricos FHSS. 3- Habilitación de la Selección Dinámica de Canales. Un dispositivo ZigBee puede realizar la selección dinámica de canales en respuesta al deterioro del canal, esto es posible en los dispositivos que emplean ZigBee PRO, admite esta función: si un canal, en el que está funcionando la red, está sobrecargado el dispositivo envía un informe al administrador de la red. Para hacer frente a este informe, el gestor de la red. Este luego comprueba el nivel de energía en todos los canales disponibles, selecciona un canal diferente y envía un comando de difusión a la red, ordenando para cambiar al nuevo canal. 4- La planificación y optimización de redes. Con el fin de lograr el mejor rendimiento de la transmisión y evitar la interferencia de otros sistemas de RF, se deben evaluar los entornos de RF antes de desplegar una red ZigBee. Esto ayuda a elegir un canal que no se solape, al mismo tiempo, con un dispositivo ZigBee.

23

1.8

Herramientas de Simulación.

La gama de simuladores disponibles para las redes inalámbricas es amplia. Muchos artículos han sido escritos para cubrir esta área y una gran cantidad de proyectos se puede encontrar. Se resumen los aspectos principales de los simuladores más conocidos en el Anexo C, Tabla C.6. Entre estos simuladores se encuentra OMNeT++ que cuenta con un amplio uso por parte de comunidades de desarrollo, dada sus características de ser un proyecto de código abierto (Open Source). Este “conjunto de programas” contiene numerosos algoritmos, que permitirán generar enrutamientos, así como también aplicaciones pre-construidas para sensores. Los componentes son desarrollados en C++ mientras que los modelos utilizar un lenguaje de alto nivel llamado NED1 (Network Description Language), según describe [5]. La arquitectura de OMNeT++ es modular y la plataforma se supone que se extienda el uso de una rica biblioteca. Existe un módulo para extender OMNeT++ específicamente para WSN se llama Castalia y proviene de Australia. MIXIM es otro de módulo que ofrece modelos detallados de la propagación de ondas de radio, la estimación de interferencia, transceptor de radio el consumo de energía y los protocolos MAC (control de acceso al medio) inalámbricas, según [7]. 1.9

Aplicaciones de las WSN.

Una de las grandes ventajas de las Redes de Sensores Inalámbricos es la gran cantidad de campos de aplicación en las que pueden ser desplegadas este tipo de redes. Los campos de aplicación pueden ir desde lo más sencillo hasta lo más complejo: desde la monitorización de pacientes médicos, hasta el control de tráfico en una ciudad pasando por el control de animales a la domotización de un edificio (en el anexo C, fig.C.6, se ilustran todas las aplicaciones de las WSNs dentro de una ciudad). De acuerdo con [15] y [16] entre las principales aplicaciones se encuentran: 

Aplicaciones militares: monitorización de fuerzas y equipos enemigos, vigilancia en el campo de batalla, detección de ataques biológicos, químicos o nucleares.

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

Aplicaciones medioambientales: seguimiento de animales, agricultura de precisión, detección de incendios forestales, seguridad de estructuras.



Aplicaciones médicas: telemonitorización de datos fisiológicos en pacientes, seguimiento de médicos y pacientes en hospitales.



Aplicaciones en el hogar/edificios: entornos inteligentes, alumbrado público.



Aplicaciones industriales: seguimiento de vehículos, control de flota.



Aplicaciones turísticas: interactividad en museos y espacios turísticos, control de acceso.

1.10 Conclusiones del Capítulo. En este capítulo se llevó a cabo la introducción a la teoría sobre las Redes de Sensores Inalámbricos, comenzando por su surgimiento y desarrollo. Posteriormente se puntualizó su concepto, seguido de lo cual se mencionan y definen las características que identifican a este tipo de redes y que son la base fundamental de todas las aplicaciones en las que estas se pueden emplear. En el capítulo, además, se describe cada uno de los dispositivos que conforman una WSN y se da una breve explicación de las funciones que realiza cada uno de ellos, todo esto seguido del análisis de las topologías que pueden conformar este tipo de redes precisando las ventajas de cada una, se realizó una comparación de las tecnologías de comunicación inalámbricas ZigBee, Bluetooth y Wi-fi y se profundizó en la arquitectura ZigBee y se verificó que esta tecnología ofrece enormes prestaciones a corto alcance; sin embargo, se espera que muy pronto se logren combinar fácilmente las distintas redes inalámbricas, logrando que la distancia no sea una limitación. Se pudo constatar la coexistencia de esta tecnología con respecto a otros estándares inalámbricos y las medidas que se deben tener en cuenta tomar para que no exista solapamiento de canales entre ellos. Se mencionaron las herramientas de simulación para las WSN, especialmente OMNET++. Con respecto a las aplicaciones actuales se pudo constatar que el uso de esta tecnología se incrementará de manera exponencial en los próximos años por su alta versatilidad.

25

CAPÍTULO 2

“Análisis de las Variantes de Aplicación de redes WSN al Alumbrado Público”.

2.1

Introducción.

Antes de proponer el diseño de la solución del problema, se hace necesario realizar un profundo análisis de los posibles escenarios de despliegue de la red WSN. Para ello se analizarán los requisitos generales del alumbrado y posteriormente las formas en que podemos encontrar distribuidas las luminarias en los tres escenarios más comunes: el entorno urbano, entorno suburbano y entorno rural. Adicionalmente se examinarán las características de las luminarias y se propondrá el cambio por las más adecuadas para trabajar en conjunto con la red propuesta. Por otro lado, se evaluarán las diferentes variantes de despliegue de red WSN para las redes de alumbrado en cada escenario, de acuerdo a las formas de control de alumbrado existentes. Esto último nos permitirá conocer las variantes óptimas para cada entorno, con el fin de realizar un despliegue real de la red de sensores propuesta en el futuro.

26

2.2

Requisitos Generales del Alumbrado.

Los niveles de iluminación recomendados varían según el uso al que esté destinado la zona. Así, se encuentra desde valores mínimos de iluminancia de 0.2 lux que permiten orientarse y ver los obstáculos del camino hasta los 20 lux que proporcionan un ambiente atractivo para las zonas de gran actividad nocturna. No obstante según [19], en la mayoría de casos, un nivel de 5 lux bastará para ofrecer buenas condiciones de alumbrado que permitan la orientación y ofrezcan sensación de seguridad a los transeúntes. Una información más detallada sobre los niveles de alumbrados explicados en [19], se expone en el Anexo D (tabla E.1). Para conseguir una buena iluminación, debe proporcionarse información extra que oriente y advierta al conductor con suficiente antelación de las características y trazado de la vía. Así en curvas es recomendable situar las farolas en el exterior de la misma, en autopistas de varias calzadas ponerlas en la mediana o cambiar el color de las lámparas en las salidas. En los tramos rectos de vías con una única calzada existen tres disposiciones básicas: unilateral, bilateral tresbolillo y bilateral pareada. También es posible suspender la luminaria de un cable transversal pero sólo se usa en calles muy estrechas, tal y como se explica en [19]. Una representación de las disposiciones mencionadas puede observarse en la figura 2.2.

Fig. 2.1 Disposiciones de las luminarias. La distribución unilateral se recomienda si la anchura de la vía es menor que la altura de montaje de las luminarias. La bilateral tresbolillo si está comprendida entre 1 y 1.5

27

veces la altura de montaje y la bilateral pareada si es mayor de 1.5. En la tabla 2.1 se muestra la relación entre el ancho de la vía y la altura de montaje descrita en (17). Tabla 2.1 Relación entre la ancho de la vía (A) y la altura de montaje (H). Unilateral A/H < 1 Tresbolillo 1 < A/H 1.5 Suspendida Calles muy estrechas

Según [19], en el caso de tramos rectos de vías con dos o más calzadas separadas por una mediana se pueden colocar las luminarias sobre la mediana o considerar las dos calzadas de forma independiente. Si la mediana es estrecha se pueden colocar farolas de doble brazo que dan una buena orientación visual y tienen muchas ventajas constructivas y de instalación por su simplicidad. Si la mediana es muy ancha es preferible tratar las calzadas de forma separada. Pueden combinarse los brazos dobles con la disposición al tresbolillo o aplicar iluminación unilateral en cada una de ellas. La figura 2.2 representa las disposiciones de las lámparas el caso de las calzadas de dos vías.

Fig. 2.2 Disposiciones de las luminarias en calzadas de dos vías. En tramos curvos, [19] recomienda que las reglas a seguir son proporcionar una buena orientación visual y hacer menor la separación entre las luminarias cuanto menor sea el radio de la curva. Si la curvatura es grande (R>300 m) se considerará como un tramo recto. Si es pequeña y la anchura de la vía es menor de 1.5 veces la altura de las luminarias se adoptará una disposición unilateral por el lado exterior de la curva, estas relaciones quedan resumidas en la tabla 2.2. En el caso contrario se recurrirá a una 28

disposición bilateral pareada, nunca tresbolillo pues no informa sobre el trazado de la carretera. Los tres casos se representan en la figura 2.3.

Fig. 2.3 Disposiciones de las luminarias en las curvas.

Tabla 2.2 Disposición de luminarias según curvatura de la vía. R > 300 m Asimilar a un tramo recto A/H < 1.5 R < 300 m Unilateral exterior A/H > 1.5 Bilateral pareada

2.2.1 Escenario 1: Entorno Urbano. El entorno urbano se puede definir como aquel que cuenta con viviendas contiguas, organización interna, distribución de las viviendas en calles, manzanas y lugares con espacios verdes, centros de actividad política, de seguridad, educacionales, de salud, actividad comercial, y servicios públicos, con una población mínima variable de acuerdo a los países, según [17]. En la tabla 2.3 se muestran los requerimientos que deben tenerse en cuenta para este tipo de entornos, de acuerdo con [19]. Tabla 2.3 Requerimientos para el despliegue de alumbrado público en Entorno Urbano. Requerimientos Valores permisibles Altura de montaje de la lámpara Hasta 10m Potencia de lámpara Menor o igual que 250W Separación entre postes Entre 15m y 40m Disposición en la vía Unilateral o Bilateral

29

2.2.2 Escenario 2: Entorno Suburbano. Puede describirse como un barrio residencial establecido en las afueras de una ciudad. Todavía está relativamente cerca de la ciudad altamente urbanizada y densamente poblada en comparación con los lugares cercanos a los pueblos y las zonas rurales. Sin embargo [18] refiere que, a diferencia de la zona urbana más acelerada que está llena de negocios y calles congestionadas con vehículos, un suburbio en general, ofrece un ambiente más amigable con la naturaleza y de ritmo lento. Los requerimientos que describe [21], se pueden observar en la tabla 2.4. Tabla 2.4 Requerimientos para el despliegue de alumbrado público en Entorno Suburbano. Requerimientos Valores permisibles Altura de montaje de la lámpara Hasta 13m Potencia de lámpara Menor o igual que 250W Separación entre postes Hasta 50m Disposición en la vía Unilateral o Bilateral

2.2.3 Escenario 3: Entorno Rural. Es el territorio no urbano o parte de un municipio que no clasifica como área urbana o expansión urbana. Áreas no urbanizadas, al menos en su mayor parte, o destinadas a la limitación del crecimiento urbano. Puede catalogarse como aquellas que tienen pocas viviendas alejadas entre sí o autopistas, lugares con pocas construcciones en general, de acuerdo con la definición planteada en [19]. Los requerimientos para este tipo de entorno según [21] se muestran en la tabla 2.5. Tabla 2.5 Requerimientos para el despliegue de alumbrado público en Entorno Rural Requerimientos Valores permisibles Altura de montaje de la lámpara Hasta 13m Potencia de lámpara Menor o igual que 250W Separación entre postes Mayor o igual que 50m Disposición en la vía Unilateral o Bilateral

2.3

Análisis de las Luminarias Actuales.

Antes de escoger la luminaria más adecuada para los escenarios descritos en el apartado anterior, se hace necesaria una breve explicación sobre las lámparas de descarga, más específicamente las de vapor de sodio de alta presión (VSAP) que son las más utilizadas en el país. Las lámparas de descarga se pueden clasificar según el 30

gas utilizado (vapor de mercurio o sodio) o la presión a la que este se encuentre (alta o baja presión), en la tabla 2.6 se muestran los tipos de lámparas de descarga. Las propiedades varían mucho de unas a otras y esto las hace adecuadas para unos usos u otros. Tabla 2.6 Tipos de lámparas de descarga. Lámparas de vapor de mercurio Lámparas de vapor de sodio Fluorescentes, Vapor de mercurio a alta presión, Lámparas de luz de mezcla, Con halogenuros metálicos

Vapor de sodio a baja presión Vapor de sodio a alta presión

2.3.1 Lámparas de Vapor de Sodio a Alta Presión. En [20] se describe que estas lámparas proporcionan una luz blanca dorada. Las condiciones de funcionamiento son muy exigentes, ya que necesitan otras temperaturas. En su interior hay una mezcla de sodio y vapor de mercurio, para amortiguar la descarga que sirve para facilitar el encendido de la lámpara y reducir las pérdidas térmicas. El tubo está dentro de una botella donde se ha hecho el vacío. Este tipo de lámparas tienen muchas aplicaciones, tanto en iluminación de interiores como de exteriores. Se caracterizan por tener una comodidad visual y percepción de contrastes mucho más agradable que la que proporcionan las lámparas de baja presión, y tienen mejor capacidad para reproducir los colores. Se acostumbra a utilizar en la iluminación de naves industriales, en el alumbrado público o en la iluminación decorativa. 2.4

Propuesta de Cambio de Luminarias VSAP a Tecnología LED.

Las lámparas de LED de luz blanca son unos de los progresos más novedosos en el ámbito de la iluminación. En [20] se considera que están muy bien posicionados para poder sustituir a las bombillas actuales. Se trata de un dispositivo semiconductor que emite luz cuando se polariza y es atravesado por la corriente eléctrica. El uso de lámparas basadas en la tecnología LED se está incrementando de una forma notable últimamente, ya que tiene una vida útil más prolongada que cualquier otro tipo de

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lámpara, una menor fragilidad y un mayor aprovechamiento de la energía. Consiguen una alta fiabilidad y conllevan menos riesgo para el medio ambiente. Aunque son bastante caras se prevé una rápida evolución. Ello se hace evidente ya que los fabricantes cada vez más se decantan por la fabricación de productos basados en la tecnología LED para iluminación de interiores y exteriores, como calles o zonas de estacionamiento, de acuerdo con [20]. Una tabla resumen de las características técnicas de las lámparas de vapor de sodio y de las de tecnología LED mencionadas en [20] puede observarse en el anexo D (tabla D.2). Para realizar la selección de las luminarias, en [21] se considera la equivalencia mostrada en la tabla 2.7. En esta se muestran las lámparas LED que presentan valores de flujo luminoso equivalentes a las lámparas de VSAP empleadas actualmente. Tabla 2.7. Equivalencia entre luminancias de VSAP y LED VSAP en uso actualmente Rango VSAP Rango LED 150 W 120-150 W 30-50 W 250 W 220-270 W 60-90 W

Tras realizar un estudio de los fabricantes de luminarias: Shenzhen Lux Lighting y YES TECH Optoelectric, se encontraron los modelos que cumplen los requerimientos de equivalencia explicados anteriormente. Estas luminarias con sus respectivas características técnicas y precios, de acuerdo con [22, 23, 24, 25, 26], se muestran en el anexo D (tabla D.3). 2.5

Selección de Luminarias LED.

Para la elección de las luminarias LED se aplicará la técnica de la matriz de ponderación de criterios. Donde cada criterio tiene asignado un peso en correspondencia con la importancia que este representa para la aplicación propuesta. Los pesos hacen un total de 100 y cada criterio será evaluado en una escala del 1 al 5, donde 1 significará la elección menos factible y 5 la más factible. Finalmente la selección más adecuada será la que logre acumular mayor puntuación.

32

1. Costo de la luminaria. Para llevar a cabo la sustitución de las lámparas es necesario realizar una compra en grandes cantidades y el costo constituye un factor clave en la rentabilidad del proyecto. 2. Tiempo de vida. La cantidad de años que pueda estar en funcionamiento la lámpara representa un ahorro en los costos de mantenimiento del sistema de alumbrado por lo que es un criterio a tener en cuenta a la hora de realizar la compra. 3. Eficiencia de la lámpara. Es la relación existente entre el flujo luminoso (en lúmenes) emitido por una fuente de luz y la potencia (en W) y constituye uno de los datos técnicos más importantes de las lámparas. 4. Flujo Luminoso. Usado para medir la luz emitida por una superficie, es importante tener este parámetro en cuenta para que la lámpara adquirida pueda brindar los niveles de iluminación adecuados.

2.5.1

Matriz de Ponderación de Criterios para la Selección de Equivalentes LED para VSAP 150W.

Teniendo en cuenta que las luminarias equivalentes para la luminaria VSAP de 150W, la matriz queda conformada de la siguiente manera: Tabla 2.8. Matriz de Ponderación de Criterios para equivalentes VSAP 150W. Variantes LX-830- LX-SL24S- LX-SL470- LX-SL650- LX-SL24CCriterios (Peso) 50W 30W 30W 40W 40W 1. Costo de la luminaria. (40) 2. Tiempo de vida. (30) 3. Eficiencia de la lámpara. (20) 4. Flujo Luminoso. (10) Total

2

2

5

1

3

5

5

5

5

5

4

4

4

4

4

3 340

3 340

4 470

4 310

5 400

Después de evaluar las cinco variantes posibles, se recomienda la luminaria LXSL470- 40W para reemplazar las lámparas de VSAP de 150W por ser la que mejores resultados puede brindar al cumplir con los criterios planteados con mejor puntuación.

33

2.5.2

Matriz de Ponderación de Criterios para la Selección de Equivalentes LED para VSAP 250W.

Analizando luminarias equivalentes para la luminaria VSAP de 250W, la matriz queda conformada de la siguiente manera: Tabla 2.9. Matriz de Ponderación de Criterios para equivalentes VSAP 250W. Variantes LX-830LX-SL650YES-LULD3CICriterios (Peso) 60W 70W 90ª 90W 5. Costo de la luminaria. (40) 6. Tiempo de vida. (30) 7. Eficiencia de la lámpara. (20) 8. Flujo Luminoso. (10) Total

2 5

1 5

5 1

3 5

4

4

3

5

3 340

4 310

5 340

5 420

Para la sustitución de las lámparas de VSAP de 250W, se recomienda la luminaria LDC3I-90 W por ser la que mejores resultados puede brindar al cumplir con los criterios planteados con mejor puntuación. 2.6

Análisis de Variantes de Control.

El alumbrado público en Cuba opera de dos formas, ambas hacen uso de interruptores automáticos que emplean fotoceldas para la conexión y desconexión de fuentes de luz. Puede ser en forma individual o efectuando un control múltiple mediante la utilización de un contactor.

2.6.1 Control Individual. Este tipo de control es implementado en cada lámpara y se encuentra integrado por una celda fotoeléctrica que abre o cierra el circuito en dependencia del nivel de iluminación ambiental, como se observa en la figura 2.4. Tiene como desventaja que su costo/mantenimiento es más elevado ya que cada lámpara requiere por individual de una celda fotoeléctrica, por lo que solo se encuentra implementado en los lugares de difícil acceso, como por ejemplo, las zonas rurales.

34

Fig. 2.4 Control Individual. 2.6.2

Circuito Exclusivo de Alumbrado Público.

Es el método más utilizado en el país, ya que con un solo circuito se pueden controlar cientos de lámparas. Se encuentra integrado por una celda fotoeléctrica conectada a un relevador AP que distribuye la alimentación a cada lámpara del grupo, como se muestra en la figura 2.5. La ventaja de este tipo de control radica en que con una sola fotocelda se puede regular el funcionamiento de un grupo de lámparas, por lo que es más económica.

Fig. 2.5 Circuito Exclusivo de Alumbrado para Control en Grupo.

Los puntos de luz se conectan a las salidas de un centro de mando que es alimentado a su vez por una acometida de la compañía eléctrica. Es necesario aclarar que para establecer el control por grupos mediante una red WSN, la cual emplea sensores de proximidad con un rango de detección limitado, se debe

35

considerar un grupo mínimo de lámparas. Es por ello que en este tipo de control en grupo pueden implementarse dos variantes: -

Control en grupo de tres lámparas. Este caso puede considerarse como la unidad mínima de control en grupos que admite el encendido por proximidad, porque el sensor de proximidad tiene un rango de detección limitado. Por otro lado, carece de sentido aplicar esta funcionalidad para grupos mayores de 3, ya que se ve afectado el guiado visual dado que un grupo mayor abarcaría un más de una calle.

-

Control para de más de tres lámparas. La cantidad de lámparas depende de la carga que soporte el circuito exclusivo, por ejemplo grupos de 100 lámparas. Esta variante puede abarcar grandes áreas.

2.7

Establecimiento de Variantes de Red WSN.

Basados en los tres escenarios y las tres formas de control que se pueden encontrar implementadas en el alumbrado público, surgen nueve variantes de diseño posibles para la red de sensores: 1. Entorno Urbano con Control Individual 2. Entorno Urbano con Control en Grupos de 3 lámparas 3. Entorno Urbano con Control en Grupos mayores de 3 lámparas 4. Entorno Suburbano con Control Individual 5. Entorno Suburbano con Control en Grupos de 3 lámparas 6. Entorno Suburbano con Control en Grupos mayores de 3 lámparas 7. Entorno Rural con Control Individual 8. Entorno Rural con Control en Grupos de 3 lámparas 9. Entorno Rural con Control en Grupos mayores de 3 lámparas. 2.7.1 Criterios de Selección de Variantes de Despliegue de Red WSN para las Redes de Alumbrado. Para la selección de las mejores variantes de despliegue en cada escenario también se empleará la técnica de la matriz de ponderación de criterios. Se tendrán en cuenta 5 criterios que la red WSN debe cumplir, los cuales tendrán un peso determinado en

36

correspondencia con la importancia que representa para el despliegue de la WSN. Los pesos de los criterios hacen un total de 100 y serán evaluados en una escala del 1 al 5. Donde 1 significará la elección menos factible y 5 la más factible. 1. Costo de la Solución: Generalmente las WSNs consisten en un número grande de nodos sensores por lo que el coste de un nodo es muy importante para justificar el coste total de la red. Si el coste de la red es superior al despliegue de sensores tradicionales, entonces la WSN no está justificada en cuanto a su coste. Por consiguiente, el coste de un nodo es una restricción importante dada la cantidad de funcionalidades requeridas y el precio tan bajo necesario. 2. Costo de implementación: La WSN en esta aplicación debe ser implementada mediante la colocación estructurada, lo que significa que se requiere de personal y recursos para la colocación de los nodos en los puntos de medición propuestos. 3. Nivel de monitoreo del sistema: Es importante conocer el grado de monitoreo en tiempo real que puede brindar la red. 4. Nivel de control del sistema: La WSN debe permitir el mayor control posible de la aplicación. 5. Redundancia de la red: El funcionamiento de la red no debe verse afectado ante la avería de algún nodo.

2.8

Variantes para Entorno Urbano.

En este apartado se analizarán las posibles variantes de despliegue para el entorno urbano. 2.8.1 Control Individual. Las características que se suponen para realizar el estudio en este caso son: -

1 Luminaria LED

-

1 Nodo sensor para monitorear cada lámpara.

La WSN basada en el Control Individual de las lámparas en un entorno urbano tiene las siguientes características:

37

-

Alto costo de la solución, ya que cada lámpara requiere de un nodo. En entornos urbanos existen avenidas y calles céntricas con gran actividad nocturna y las lámparas están dispuestas a menos distancia para garantizar los niveles de iluminación adecuados. Esto implica una gran cantidad de luminarias y se necesitará una gran inversión para la compra de los nodos. Una representación de esta variante se puede apreciar en la figura 2.6.

-

El control individual permite el control de estado (encendido/apagado) de cada lámpara por individual y permite encender/apagar cada una, puede implementarse el encendido de cada lámpara ante la proximidad de personas y vehículos y proporciona monitoreo del consumo de energía de cada lámpara. Todo esto indica que con esta forma de control la red brinda un alto nivel de monitoreo, porque logra obtener en tiempo real la información de cada lámpara por individual. Por otro lado, tiene mayor flujo de datos ya que se tienen más nodos en la red. Es posible de aplicar nuevas funcionalidades (por ejemplo añadir nuevos sensores en el futuro para medir la contaminación del aire, la temperatura, la humedad, etc.)

-

En cuanto a la redundancia de la red, los nodos cuentan con gran cantidad de vecinos que le permiten enviar la información por múltiples caminos en caso de fallos en la vía más corta hacia la Puerta de Enlace. En este entorno las lámparas están espaciadas de manera que los nodos tienen línea de vista directa y la señal de RF no debe verse afectada por el entorno. Esto significa que los módulos transceptores pueden tener un alcance más pequeño y un precio más económico.

Fig. 2.6 WSN para el Control Individual en Entorno Urbano.

38

2.8.2

Control en Grupos de 3 lámparas.

Las características que se consideran para realizar el estudio de esta variante de control en el entorno urbano son: -

Grupos de 3 Luminarias LED

-

Circuito Exclusivo de Alumbrado Público, compuesto por una fotocelda y un relevador que alimenta al grupo de luminarias

-

Nodo sensor para monitorear cada circuito exclusivo.

La WSN basada en el Control en Grupo de Alumbrado Público por grupos de 3 lámparas presenta las siguientes características: -

El costo de la solución es menor que el control individual, pero más caro que el control en grupo mayores de 3 lámparas. Esto sucede porque aún se requiere de una gran inversión para asignar un nodo que permita monitorear y controlar 3 lámparas.

-

El

control

en

grupos

(encendido/apagado)

de

de

3

grupo

lámparas y

permite

permite

el

control

encender/apagar

de 3

estado

lámparas

simultáneamente. En el entorno urbano el sector formado por 3 lámparas abarcaría una calle aproximadamente. Por lo cual, el área es pequeña y aún es posible implementar el encendido de las lámparas ante la proximidad de personas y vehículos. Para lograrlo el nodo debe ser colocado en el pedestal de la lámpara ubicada a mitad de calle y el sensor de proximidad tiene un rango de detección amplio, esto significaría tener que comprar un sensor más caro. Esta funcionalidad es posible en el entorno urbano porque las lámparas se encuentran a menos de 40 m. Una representación de esta variante se puede apreciar en la figura 2.7. -

La red con este tipo de control, cuenta con un nivel de monitoreo menor que el control individual porque se aplica a un grupo de lámparas y el problema se encuentra localizado en un sector pequeño. Por otro lado, tiene menor flujo de datos ya que se tiene un nodo cada 3 lámparas. Y aún es posible aplicar nuevas funcionalidades (por ejemplo añadir nuevos sensores en el futuro para medir la contaminación del aire, la temperatura, la humedad, etc.)

39

-

Con respecto a la redundancia de la red, los nodos cuentan con, al menos, 3 vecinos que le permiten enviar la información por otro caminos en caso de fallos en la vía más corta hacia la Puerta de Enlace. En este entorno las lámparas están espaciadas de manera que los nodos tienen línea de vista directa y la señal de RF no debe verse afectada por el entorno.

Fig. 2.7 WSN para Control en Grupo de 3 lámparas en Entorno Urbano.

2.8.3 Control en Grupos Mayores de 3 lámparas. Las características que se suponen para realizar el estudio del control para grupos mayores de 3 lámparas son: -

Más de 3 Luminarias LED

-

1 Circuito Exclusivo de Alumbrado Público, compuesto por una fotocelda y un relevador que alimenta al grupo de luminarias

-

1 Nodo sensor para monitorear cada circuito exclusivo.

La WSN basada en el Control en Grupo mayores de 3 lámparas en el entorno urbano tiene como características: -

El costo de la solución es menor que las dos formas de controles anteriores. Este tipo de sector puede abarcar cientos de lámparas que son monitoreadas con un solo nodo.

-

El control en grupos mayores de 3 lámparas solo permite el control de estado (encendido/apagado)

de

grupo,

encender/apagar

todas

las

lámparas

simultáneamente y control del consumo del sector. En el entorno urbano este grupo

40

abarcaría un área grande y no es posible implementar el encendido de las lámparas ante la proximidad de personas y vehículos, como se puede observar en la figura 2.8. -

La red con este tipo de control, presenta menor nivel de control que las dos modalidades anteriores, porque no es posible determinar qué lámpara falla con exactitud, sería necesario inspeccionar la zona para ubicar la falla. Tampoco es posible implementar nuevas funcionalidades en la red.

-

Con respecto a la redundancia de la red, los nodos no tendrán línea de vista directa y la señal de RF se verá degradada por el ruido del ambiente urbano. Por esta razón se requieren nodos con mejor rendimiento respecto al módulo transceptor y debe considerarse la posibilidad de colocar nodos intermedios, a la distancia especificada por el fabricante, para que la información se transmita correctamente y los nodos cuenten con vecinos para garantizar el envío de la información en caso de fallos en la red.

Fig. 2.8 WSN para Control en Grupo mayores de 3 lámparas en Entorno Urbano.

2.8.4

Matriz de Ponderación de Criterios para Elegir la Variante de Control en el Entorno Urbano.

En la tabla 2.10 se muestra la matriz de ponderación de criterios con la evaluación y el total de puntos acumulados por cada variante.

41

Tabla 2.10. Matriz de Ponderación de Criterios para variante WSN en Entorno Urbano. Criterios 1 2 3 4 5 (Peso) Total (35) (10) (20) (25) (10) Variantes 1. WSN para Control Individual

1

1

5

5

5

320

2. WSN para Control en Grupos de 3 lámparas 3. WSN para Control en Grupos mayores de 3 lámparas

3

3

3

3

4

310

5

5

1

1

1

280

Después de evaluar las tres variantes para el entorno urbano, la mejor opción es una WSN para el control individual, la cual permite un nivel alto de control para este entorno. 2.9

Variantes para Entorno Suburbano.

En esta sección se analizarán las posibles variantes de despliegue para el entorno suburbano. 2.9.1 Control Individual. Las características que se consideran para realizar el estudio en este caso son: -

1 Luminaria LED

-

1 Nodo sensor para monitorear cada lámpara.

La WSN basada en el Control Individual de las lámparas en un entorno suburbano cuenta con las siguientes características: -

Control de estado (encendido/apagado) de cada lámpara por individual. Permite Encender/apagar cada lámpara. Permite encendido por proximidad en cada lámpara. Monitoreo del consumo de energía de cada lámpara por individual.

-

Al igual que en el entorno urbano se tiene un alto control sobre todas las lámparas equipadas con nodos, lo que significa que también tiene un alto costo y permite el encendido por proximidad.

-

En el entorno suburbano existen calles de uso moderado y calles de uso menor, solamente asociadas a propiedades adyacentes, las lámparas se encuentran a una distancia menor o igual que 50 m y la señal de RF no debe verse afectada por el entorno. Esto significa que los módulos transceptores pueden tener un alcance más pequeño y un precio más económico. Sería necesaria una valoración de qué nivel 42

de control se desea para este entorno, que tiene menor movimiento de personas y vehículos que una zona urbana, como se puede apreciar en la figura 2.9. -

La redundancia de la red está garantizada también en este entorno.

Fig. 2.9 WSN para el Control Individual en Entorno Suburbano.

2.9.2 Control en Grupos de 3 lámparas. Las características que se suponen para realizar el estudio esta variante son: -

Grupos de 3 Luminarias LED

-

Circuito Exclusivo de Alumbrado Público, compuesto por una fotocelda y un relevador que alimenta al grupo de luminarias

-

Nodo sensor para monitorear cada circuito exclusivo.

La WSN basada en el Control en Grupo de Alumbrado Público por grupos de 3 lámparas presenta las siguientes características: -

Nuevamente el costo de la solución es menor que el control individual.

-

El control en grupos de 3 lámparas ofrece las mismas prestaciones que en el entorno urbano. Una representación de esta variante se puede apreciar en la figura 2.10.

-

En estas zonas no hay tanto movimiento de personas como en las grandes ciudades y la red con este tipo de control por grupos de 3 lámparas resulta una opción interesante, de menor costo y que cuente con funcionalidades similares a una red con control individual.

-

Con respecto a la redundancia de la red, los nodos requieren de un módulo de transductor de mayor alcance, el cual garantiza al menos 3 vecinos.

43

Fig. 2.10 WSN para Control en Grupo de 3 lámparas en Entorno Suburbano.

2.9.3 Control en Grupos Mayores de 3 lámparas. Las características que se suponen para realizar el estudio de este caso son: -

Grupo de Luminarias LED

-

Circuito Exclusivo de Alumbrado Público, compuesto por una fotocelda y un relevador que alimenta al grupo de luminarias

-

Nodo sensor para monitorear cada circuito exclusivo.

La WSN basada en el Control en Grupo mayores de 3 lámparas en el entorno urbano tiene como características: -

El costo de la solución sigue siendo el más económico al igual que en el entorno urbano, como se puede apreciar en la figura 2.11.

-

El control en grupos mayores de 3 lámparas tiene las mismas características que en el entorno urbano y tampoco permite el encendido por proximidad.

-

El control sigue siendo menor en este entorno que las dos modalidades anteriores, porque no es posible determinar qué lámpara falla con exactitud, sería necesario inspeccionar la zona para ubicar la falla. Tampoco es posible implementar nuevas funcionalidades en la red.

-

Con respecto a la redundancia de la red, se comporta de la misma forma que en un entorno urbano.

44

Fig. 2.11 WSN para Control en Grupo mayores de 3 lámparas en Entorno Suburbano.

2.9.4 Matriz de Ponderación de Criterios para Elegir la Variante de Control en el Entorno Suburbano. En la tabla 2.11 se puede observar cómo queda conformada la matriz de ponderación de criterios con la evaluación y el total de puntos acumulados por cada variante. Tabla 2.11. Matriz de Ponderación de Criterios para variante WSN en Entorno Suburbano.

Criterios (Peso) Variantes 1. WSN para Control Individual 2. WSN para Control en Grupos de 3 lámparas 3. WSN para Control en Grupos mayores de 3 lámparas

1 2 3 4 5 Total (35) (10) (20) (25) (10) 1

2

5

5

5

330

3

3

3

3

3

300

5

5

1

1

1

280

Después de evaluar las tres variantes para el entorno suburbano, la mejor opción nuevamente es una WSN para el control individual. Podemos ver cómo va siendo menos factible los criterios analizados para las variantes en grupo, a pesar de ser más rentables económicamente. 2.10 Entorno Rural. En este apartado se analizarán las posibles variantes de despliegue para el entorno rural.

45

2.10.1 Control Individual. Las características que se consideran para realizar el estudio en este caso son: -

1 Luminaria LED

-

1 Nodo sensor para monitorear cada lámpara.

La WSN basada en el Control Individual de las lámparas en un entorno rural cuenta con las siguientes características: -

Control de estado (encendido/apagado) de cada lámpara por individual, encender/apagar cada lámpara y el encendido por proximidad en cada una. Además del monitoreo del consumo de energía de cada lámpara por individual.

-

Presenta un alto control porque todas las lámparas están equipadas con nodos. Aunque en el entorno rural, representado en la figura 2.12, se cuenta con menor cantidad de luminarias que en los entornos urbanos y suburbanos por lo que en comparación con estos es más económica su implementación. También permite implementar nuevas funcionalidades en el futuro.

-

En el entorno rural, las lámparas se encuentran a una distancia aproximada de 75 m. Esto significa que los módulos transceptores pueden tener un mayor alcance para garantizar la transmisión.

-

La redundancia de la red en este entorno se ve más afectada porque los nodos se encuentran alejados entre sí.

Fig. 2.12 WSN para el Control Individual en Entorno Rural.

2.10.2 Control en Grupos de 3 lámparas. Las características que se suponen para realizar el estudio esta variante son:

46

-

Grupos de 3 Luminarias LED

-

Circuito Exclusivo de Alumbrado Público, compuesto por una fotocelda y un relevador que alimenta al grupo de luminarias

-

Nodo sensor para monitorear cada circuito exclusivo.

La WSN basada en el Control en Grupo de Alumbrado Público por grupos de 3 lámparas presenta las siguientes características: -

En este caso el costo de la solución es el más económico de todos los escenarios. Los grupos abarcan grandes áreas por tener una mayor separación de las lámparas.

-

El

control

en

grupos

(encendido/apagado)

de

de

3

grupo

lámparas y

permite

permite

el

control

encender/apagar

de 3

estado

lámparas

simultáneamente. En el entorno rural por la separación entre los postes se hace imposible implementar el encendido del grupo por proximidad. Solo se puede monitorear el consumo de las 3 lámparas. El nivel de control en este entorno es mucho menor que en los anteriores. Una representación de esta variante se puede apreciar en la figura 2.13. -

Con respecto a la redundancia de la red, los nodos requieren de un módulo de transductor de mayor alcance, el cual garantiza al menos 3 vecinos. Los cuales permiten enviar la información por otros caminos en caso de fallos en la vía más corta hacia la Puerta de Enlace.

Fig. 2.13 WSN para Control en Grupo de 3 lámparas en Entorno Rural.

2.10.3 Control en Grupos Mayores de 3 lámparas. Las características que se suponen para realizar el estudio son:

47

-

Grupos de Luminarias LED

-

Circuito Exclusivo de Alumbrado Público, compuesto por una fotocelda y un relevador que alimenta al grupo de luminarias

-

Nodo sensor para monitorear cada circuito exclusivo.

La WSN basada en el Control en Grupo mayores de 3 lámparas en el entorno rural tiene como características: -

El costo de la solución es el más económico y puede abarcar cientos de lámparas que son monitoreadas con un solo nodo.

-

El control en grupos mayores de 3 lámparas permite el conocimiento de estado (encendido/apagado)

de

grupo,

encender/apagar

todas

las

lámparas

simultáneamente y control del consumo del sector, al igual que en los escenarios anteriores. -

La redundancia de la red se dificulta porque los nodos se encuentran más distantes, sería necesario comprar módulos transceptores de gran alcance, para lograr múltiples caminos en la red.

Fig. 2.14 WSN para Control en Grupo mayores de 3 lámparas en Entorno Rural.

2.10.4 Matriz de Ponderación de Criterios para Elegir la Variante de Control en el Entorno Rural. En la tabla 2.12 se muestra la matriz de ponderación de criterios con la evaluación y el total de puntos acumulados por cada variante para este entorno.

48

Tabla 2.12. Matriz de Ponderación de Criterios para variante WSN en Entorno Rural. Criterios 1 2 3 4 5 (Peso) Total (35) (10) (20) (25) (10) Variantes 1. WSN para Control Individual

1

3

5

5

4

330

2. WSN para Control en Grupos de 3 lámparas 3. WSN para Control en Grupos mayores de 3 lámparas

3

4

2

3

3

290

5

5

1

1

1

280

Después de evaluar las tres variantes para el entorno rural, la mejor opción nuevamente es una WSN para el control individual. Mientras más distantes están las lámparas los controles en grupos dejan de ser eficientes en el nivel de control y monitoreo. 2.11 Conclusiones del Capítulo. En este capítulo se llevó a cabo un estudio sobre las variantes de aplicación de redes WSN al Alumbrado Público. Para ello, se definieron tres escenarios de despliegue: el entorno urbano, suburbano y rural. Seguido de lo cual se mencionan y definen las características de las luminarias en cada escenario. Se propuso el cambio de las luminarias de Vapor de Sodio por las de tecnología LED, mediante una investigación y selección de las más adecuadas. Se definieron las tres Formas de Control de Alumbrado Público y se describió el funcionamiento de cada una. Luego, basados en estas formas de control se analizaron y describieron las nueve variantes posibles de despliegue de red WSN aplicadas al Alumbrado Público. Esto permitió que mediante el uso de matrices de ponderación de criterios se pudieran definir las variantes más adecuadas para cada entorno. La selección se realizó teniendo en cuenta 5 criterios fundamentales que debe cumplir la red WSN para la aplicación propuesta: costo de la solución, costo de implementación, nivel de monitoreo del sistema, nivel de control del sistema y redundancia de la red. Donde los criterios más significativos fueron el costo de la solución y el nivel de control que puede proporcionar la red WSN. Por medio del análisis y la investigación expuestos a lo largo del capítulo, se puede apreciar que la variante óptima en todos los escenarios es el despliegue de una WSN para el Control

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Individual del Alumbrado Público. Este tipo de control brinda un mejor equilibrio entre los criterios de costo de la solución y nivel de control. En segundo lugar se encuentra el despliegue de una WSN para el Control en Grupos de 3 Lámparas, el cual permite menor nivel de control a cambio de un costo de implementación más económico. Y en último lugar se encuentra la WSN para el Control en Grupos mayores de 3 Lámparas, el cual, a cambio de un costo de implementación bajo pierde en el nivel de control y se sacrifican también otros criterios definidos.

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CAPÍTULO 3

“Diseño y Simulación de la WSN para los Casos de Estudio propuestos”.

3.1

Introducción.

Con el fin de realizar el despliegue de una red de sensores inalámbricos, en el presente capítulo se analizarán dos casos de estudio. El primer caso estará enmarcado en el entorno urbano, para ello el área seleccionada es una porción del Vedado, en el municipio Plaza de la Revolución. El segundo caso se puede definir como un entorno rural por las características que presenta el área, se trata de las calles que conducen a la entrada del Hotel Blau Club Arenal ubicado en el área de Playas del Este a 28 kilómetros del centro de La Habana. En ambos diseños se describirán las características del alumbrado, se definirán los modelos de las luminarias, la topología de la red, los elementos que componen los nodos sensores y sus características, así como el diagrama de la red. Se diseñará, además, la Plataforma de Gestión de forma que garantice el monitoreo en tiempo real de la red.

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3.2

Consideraciones Generales de Diseño.

En el diseño se han tenido en cuenta las consideraciones más importantes para la planeación de una WSN señaladas en [9] y [27], entre las que se encuentran las siguientes: 1- Cada nodo debe contar con tres nodos vecinos dentro del rango efectivo. En los dos casos de estudio se ha tenido en cuenta para el diseño, el rango de alcance especificado por el fabricante de los módulos transceptores. Los nodos están espaciados de manera que tienen comunicación con al menos, 3 de sus vecinos.

2- Ubicar la Puerta de Enlace en la posición correcta para maximizar las conexiones en la red. Es necesario identificar todos los posibles puntos de integración de la Puerta de Enlace. La ubicación óptima de la Puerta de Enlace se determinó en instalaciones donde tiene comunicación con la red de sensores y además está conectado a la red Ethernet para acceder al servidor, donde se encuentra ubicado el Sistema de Gestión. 3- Los módulos Transceptores deben estar configurados en la misma PAN y en el mismo canal. Para Garantizar la comunicación de los nodos, incluyendo el nodo coordinador, deben tener configurado un ID PAN y tener declarado el canal que emplearán para enviar los datos. Puede declararse un canal en específico o dejar la configuración por defecto, el único requisito es que debe emplearse la misma configuración en todos. 3.2.1 Requisitos de la Red. La red propuesta en los dos casos de estudio debe cumplir con los requisitos funcionales siguientes: -

El sistema debe crear una red de sensores inalámbricos capaz de comunicarse con todos sus nodos finales.

-

El sistema debe medir el consumo energético de una lámpara.

-

El sistema debe actuar sobre el encendido, apagado e intensidad de la lámpara.

-

El sistema debe entregar información específica de cada nodo.

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-

El sistema debe enviar información estadística a una base de datos externa, la cual pueda ser accedida por el sistema de gestión.

3.2.2 Descripción de los Recursos. En ambos casos de estudio la red estará compuesta por diferentes nodos, los cuales estarán conectados a la lámpara como se muestra en la figura:

Fig. 3.1 Diagrama en bloques de la arquitectura del nodo.

3.2.2.1 Nodos con Sensores. Cada nodo estará, por un lado, equipados por 2 sensores que se encargarán de recoger los datos necesarios del exterior. Además se compone de un módulo de procesamiento, un módulo transceptor, un módulo de alimentación y un actuador. A continuación se describen los equipos seleccionados para conformar dicho nodo.

3.2.2.1.1 Transformador de Corriente (núcleo dividido). Sensor que se utilizan para medir la corriente alterna. Son particularmente útiles para medir el consumo de electricidad de un edificio entero. El tipo de núcleo dividido de acuerdo con [28], es particularmente adecuado para el uso de bricolaje se puede incorporar directamente a cualquier cable de alta tensión o neutral sin tener que hacer ningún trabajo de alta tensión eléctrica. Las características principales del modelo SCT-013-000 CT señaladas en [28] se muestran en la tabla 3.1.

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Tabla 3.1. Características del sensor de corriente SCT-013-000 CT. Corriente de entrada: 0 ~ 100A AC Modo de salida: 0 ~ 50 mV No linealidad: ± 3% Resistencia Grado: Grado B Temperatura de trabajo: -25 ° C ~ + 70 ° C Rigidez dieléctrica (entre la cáscara y la salida): 1000 V AC / 1min 5 mA Llongitud del cable: 1m Tamaño: 13mm x 13mm

3.2.2.1.2 Sensor de Proximidad. Se empleará un sensor PIR, especialmente diseñado como accesorio compatible con microcontroladores Arduino. Se utiliza un sensor PIR de cuerpo digital integrado, con pequeño tamaño, alta fiabilidad, bajo consumo de energía, circuito periférico simple, según se expone en [29]. Tabla 3.2. Características del sensor PIR (SEN0171). Voltaje de entrada: 3.3 ~ 5V, 6V Máximo Corriente de Trabajo: 15uA Temperatura de Trabajo: -20 ~ 85 ℃ Voltaje de salida: Alto 3V, bajo 0V Tiempo de retardo de salida (de alto nivel): Sobre 2.3 a 3 segundos Ángulo de detección: 100 ° Distancia de detección: 7 metros Indicador de salida LED (Cuando la salida sea ALTA, será ON)

3.2.2.1.3 Módulo de Procesamiento. Para el procesamiento de la información se utilizará el microcontrolador Arduino Uno. Según [30], Arduino Uno es una tarjeta basada en el microcontrolador ATmega328. Tiene 14 pines para entrada/salida digital (6 de estos pueden ser usados como PWM), 6 entradas análogas, oscilador de cristal a 16 MHz, interfaz USB, jack de energía, conector ICSP, y botón de reset. Contiene todo lo necesario para operar el microcontrolador; se conecta al PC por medio de USB o puede operar con alimentación

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externa usando un adaptador AC-DC, o baterías. Las características principales de este microcontrolador representadas en [30], se muestran en la siguiente tabla: Tabla 3.3. Características del Microcontrolador Arduino Uno. Microcontrolador: ATmega328 Voltaje de Operación: 5V Voltaje de entrada (recomendado): 7-12V Pines de I/O digitales: 14 Pines PWM I/O digitales: 6 Pines de entrada analógicos: 6 DC de entrada en pines de I/O: 40 mA DC de entrada en pines de 3.3V: 50 mA Memoria flash: 32 KB Memoria flash para el Bootloader: 0.5 KB SRAM: 2 KB EEPROM: 1 KB Velocidad del reloj: 16 MHz

3.2.2.1.4 Módulo Transceptor. Por las características que se desea que tenga la red de sensores propuesta, para ambos casos de estudio se empleará el módulo Xbee Serie 2 Pro con antena integrada. Los módulos de la Serie 2 permiten crear redes de malla complejas. Estos módulos permiten una comunicación muy fiable y simple entre microcontroladores, ordenadores y sistemas. Soporta redes Punto a punto y multipunto. Es importante tener en cuenta que los módulos de la Serie 1 y Serie 2 de XBee tienen el mismo pin-out. Sin embargo, módulos de la Serie 1 no se pueden comunicar con los módulos Serie 2, según [29]. Este módulo permite un rango de alcance de 90 m en ambientes urbanos por lo que para el caso de estudio 1 resulta óptimo. Con respecto al caso de estudio 2 también es requerido su uso porque brinda un rango de alcance inalámbrico mayor que un Xbee serie 1 en línea de vista directa. Las especificaciones de Xbee Serie 2 Pro, expuestas en [31] se muestran en las tablas 3.4. En el Anexo E, se pueden observar otras características de Xbee Pro.

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Tabla 3.4. Especificaciones del Módulo del Xbee Pro 63mW (XBP24BZ7PIT-004). Potencia de salida: 63MW (18 dBm) Interior /entorno urbano: hasta 300 pies (90 m) al aire libre / RF de línea de visión directa: Hasta 2 millas (3.200 m) Velocidad de datos RF: 250 Kbps Sensibilidad del Receptor: -102 dBm Corriente de Transmisión: 205 mA (@ 3.3V) Corriente de Recepción: 47 mA (@ 3.3V) Corriente de Reposo: 15 mA Frecuencia de banda: 3V CMOS UART, ADC, Temperatura de funcionamiento: -40 ° C a 85 ° C (en ambiente industrial)

Para garantizar que el microcontrolador Arduino pueda comunicarse de forma inalámbrica utilizando Zigbee, [32] recomienda el uso de una placa para interconectar el Arduino y el módulo XBee. Las características técnicas de esta placa, señaladas en [32] se relacionan en la tabla 3.6. Tabla 3.5. Especificaciones de la placa adaptadora. Regulador de 3.3V Funciona con XBee serie 1 y 2, así como los módulos Pro de la serie 1 y 2 Dimensiones (montado): 26 mm x 40 mm x 11 mm (1 in x 1.5in 0.4in x) Peso: 10,8 g / 0,38 oz

3.2.2.1.5 Módulo de Alimentación. Transformador 220V/12V, para alimentar la placa y los sensores. Las características expuestas en [33] se muestran en la tabla 3.6. Tabla 3.6. Especificaciones del Transformador. Tipo de salida: simple Potencia de salida: 1- 50W Voltaje de entrada: 220V Corriente de salida: 12V DC

3.2.2.1.6 Actuador. Se utilizará un atenuador para encender, regular la potencia y apagar las lámparas desde el Sistema de Gestión. La placa seleccionada es compatible con Arduino y 56

permite variar la intensidad de dispositivos de control que operan directamente con 110 v o 220v, las características principales (mostradas en la tabla 3.6) y el precio de este dispositivo se exponen en [34]. Tabla 3.7. Especificaciones del Atenuador. VAC: 110 / 220VAC (cargas de hasta 4A) CARGA: incandescente lámpara, motor del ventilador y etc. Botones utilizados: D2 - Interrupción (Pasando por cero) D3 - Triac Cambio D4 y D5 - interruptores táctiles para uso general

3.2.2.2 Puerta de Enlace. La red propuesta contará con dos Puertas de Enlace Xbee, para garantizar la redundancia y disminuir el riesgo de fallo en la entrega de información del área. Las características técnicas de las Puertas de Enlaces señaladas en [35] se muestran en la tabla 3.7. Tabla 3.8. Especificaciones de la Puerta de Enlace (X2E-Z3C-E1-A). Modulación o Protocolo: ZigBee Frecuencia: 2.4GHz Aplicaciones: AMR, Consumer/PC, ISM Interfaz: RJ-45 Sensitividad: -102dBm Potencia de salida: 18dBm Data Rate (Max): Otros: Fuente de alimentación incluida Voltaje de operación: 5V

3.2.2.3 Nodo sin Sensor. El nodo sin sensores hará las funciones de coordinador, y se encargará de recoger los datos de todos los sensores y de esta forma poder obtener información de la situación actual de cada uno de los nodos instalados en las lámparas. Estará compuesto por un módulo de procesamiento, el módulo transceptor y el módulo de alimentación, descritos en los apartados anteriores.

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3.2.2.4 Encapsulado del Nodo. Los nodos estarán en exteriores, por lo que sus dispositivos deben ser protegidos. Para ello se recomienda utilizar una caja impermeable para encapsular los nodos, mantenerlos secos, evitar daños y facilitar su colocación en los postes de alumbrado. En [36], se muestran las características del encapsulado propuesto. Las dimensiones y especificaciones se muestran en la tabla 3.9. Tabla 3.9. Especificaciones del Encapsulado de Nodo. Dimensiones exteriores: 100 x 68 x 50 mm/ Dimensiones internas: 92 x 61 mm Material: Plástico ABS

3.3

Caso de Estudio 1: WSN para el Control de Alumbrado Público en la Zona Urbana Vedado

La WSN se diseñará en una porción del municipio Plaza de La Revolución, desde Avenida 23 hasta Zapata y desde la calle 2 hasta calle 6. El primer paso para lograr el diseño de la red de sensores es definir la zona de operación y determinar la ubicación de las luminarias, para el montaje de dicha red. Este primer paso en el diseño da una idea cómo estará conformada la red de sensores para lograr cubrir el área y permitir la comunicación de los nodos a una distancia determinada. 3.3.1 Zona de Operación El área seleccionada se encuentra representada en la figura 3.2

y presenta las

siguientes características: -

Avenida 23: se caracteriza por ser una calle de alto uso para personas, vehículos y transporte público. Tiene 4 sendas con un ancho de 12 m. Las luminarias están dispuestas en forma bilateral tresbolillo, espaciadas a 30 m con una altura de montaje de 8 m.

-

Zapata: caracterizada por ser una calle muy transitada, de 2 sendas con un ancho de 6 m. Las luminarias están dispuestas en forma unilateral, espaciadas a 30 m, con una altura de montaje de 8 m.

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-

Calles intermedias: (2, 4, 6, 25 y 27) son calles de uso menor con 2 sendas de 6 m. Las luminarias están dispuestas de forma unilateral, espaciadas a 30 m y a una altura de 8 m.

Las lámparas estarán equipadas con fotocelda, la cual se encargará del encendido automático. Para este caso de estudio los modelos seleccionados de las luminarias se relacionan a continuación: Tabla 3.10. Sustitución de lámparas en la Zona de Actuación de la red. Calles Modelos de luminarias LED Avenida 23 7 Luminarias LD3CI-90W Zapata 8 Luminarias LD3CI-90W Calles 2,4,6,25 y 27 45 Luminarias LX-SL470-40W

3.3.1.1 Ubicación de los nodos El área tiene 60 lámparas y su ubicación se obtuvo por medio de la herramienta de software Google Maps y teniendo en cuenta los requerimientos del alumbrado público para el entorno urbano. Como resultado del estudio de variantes realizado para este entorno, la variante óptima es la WSN para el Control Individual. Por tanto, los puntos de medición serán las todas lámparas de la zona y el nodo coordinador de la red, al igual que las Puertas de Enlace estarán ubicados en las oficinas de la Empresa Eléctrica de Plaza, donde se enlaza con la red LAN de la empresa para enviar los datos al Sistema de Gestión. El diagrama de la red se muestra en la figura 3.2.

Fig. 3.2 Diagrama de la red para la Zona Urbana Vedado.

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3.3.1.2 Topología de la Red. La topología formada es una red malla con enrutamiento multi- salto. Esta se implementará de forma estructurada ya que los puntos de medición son fijos y se conoce con la ubicación de cada uno. Los nodos alcanzan un rango de cobertura de 90 m para entornos urbanos de acuerdo con las pruebas realizadas por el fabricante. Por tanto, cada nodo estará conectado con los vecinos que se encuentren a 30 y 60 m, de esta manera se irá conformando la malla en toda la zona de operación de la red, como se muestra en la figura 3.3.

Fig. 3.3 Topología Malla formada en la Zona Urbana Vedado.

3.3.2 Caso de estudio 2: WSN para el Control de Alumbrado Público en la Zona Rural Itabo Se propone el diseño de la WSN para las calles que conducen a la entrada del Hotel Blau Club Arenal (más conocido como el Hotel Itabo, por su cercanía con la laguna del mismo nombre). Este hotel ha sido reinaugurado en 2014 y resulta de vital importancia para el turismo de la localidad. Se encuentra ubicado en Santa María, perteneciente al área de Playas del Este, a 28 kilómetros del centro de La Habana. A pesar de ser una zona relativamente cercana a la capital no se le considerará como entorno suburbano, por ser un área apartada de otras instalaciones y estar rodeada de vegetación puede catalogarse como entorno rural. Por consiguiente cumplirá con los requerimientos del

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alumbrado para este tipo de entorno. Las calles sobre las que se diseñará la red serán una porción de la Avenida Aventura y la Avenida Sur hasta la entrada del Hotel. 3.3.2.1 Zona de Operación El área seleccionada representada en la figura 3.4, tiene las siguientes características: -

Avenida Aventura: se caracteriza por ser una calle de uso menor, transitada mayormente por vehículos. Tiene 2 sendas con un ancho de 6 m. Las luminarias están dispuestas en forma unilateral, espaciadas a 75 m con una altura de montaje de 10 m.

-

Avenida Sur: caracterizada por ser una calle de bajo uso, solo transitada por los vehículos que acceden al Hotel, de 2 sendas con un ancho de 6 m. Las luminarias están dispuestas en forma unilateral, espaciadas a 75 m, con una altura de montaje de 10 m.

La Avenida Sur se caracteriza por tener una bifurcación aproximadamente a 800 m de la Avenida Aventura y se une nuevamente en la entrada del Hotel. En esta intersección las luminarias están dispuestas cumpliendo con los requerimientos para los tramos curvos. Como la curvatura y la anchura de la vía es menor de 1.5 veces la altura de las luminarias, las luminarias estarán dispuestas de forma unilateral por el lado exterior de la curva, de manera que informa a los conductores del trazado de la vía. Las lámparas estarán equipadas con fotocelda, la cual se encargará del encendido automático. Para el caso de estudio los modelos de las luminarias se relacionan a continuación: Tabla 3.11. Sustitución de lámparas en la Zona de Actuación de la red. Calles Modelos de luminarias LED Avenida Aventura 3 lámparas LD3CI-90W Avenida Sur 28 lámparas LD3CI-90W

3.3.2.2 Ubicación de los nodos El área tiene 31 lámparas para cubrir 2.3 Km de carretera aproximadamente y su ubicación se obtuvo por medio de la herramienta de software Google Maps y teniendo

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en cuenta los requerimientos del alumbrado público para el entorno rural. Como resultado del estudio de variantes realizado para el entorno rural, la variante óptima es la WSN para el Control Individual. Por tanto, los puntos de medición serán las todas lámparas de la zona y el nodo coordinador de la red, al igual que las Puertas de Enlace de la red estarán ubicados en el Hotel Blau Club Arenal, donde enlazan con la red LAN para enviar los datos al Sistema de Gestión. En la figura 3.4 se representa el diagrama de la red para este caso de estudio.

Fig. 3.4 Diagrama de la Red para el Caso de Estudio 2 Zona Rural Itabo.

3.3.2.3 Tipo de implementación de la red Para el caso de estudio 2 también se implementará la red de forma estructurada porque los puntos de medición son fijos y se conoce con la ubicación de cada uno. La topología formada es una red malla con enrutamiento multi- salto. Los nodos alcanzan un rango de cobertura de 90 m cuando no tienen línea de vista directa, de acuerdo con las pruebas realizadas por el fabricante. Por tanto, cada nodo estará conectado con los vecinos que se encuentren a 75 m. Adicionalmente pueden conectarse con los nodos que tienen línea de vista directa en un rango de aproximadamente 1500 m. De esta forma se irá conformando la malla en toda la zona de operación de la red garantizando al menos 3 vecinos para cada nodo. Se muestra en la figura 3.5 una representación de la red. 62

Fig. 3.5 Topología Malla formada en la Zona Rural Itabo.

3.3.3 Análisis de riesgos en la comunicación de la red WSN -

El daño o pérdida de alguno de los nodos base del sistema significaría un gran riesgo de seguridad ya que de estos dependen el correcto funcionamiento del sistema.

-

La falla de la plataforma de gestión sería un gran riesgo para todo el sistema ya que causa la perdida de toda la información de los nodos mientras se encuentre fuera de servicio.

3.4

Simulación en OMNet++.

En la etapa de diseño se definió la solución que se daría al problema usando redes de sensores inalámbricos. Para comprobar que los nodos se comunican correctamente y la red cumple con los requisitos planteados se realiza la simulación de la solución mediante la herramienta OMNET++. Un modelo en OMNeT++ consiste en una serie de módulos jerárquicamente anidados, los cuales se comunican entre sí mediante mensajes. La relación existente entre los módulos se define empleando un lenguaje propio del simulador, denominado NED, cuyo formato es muy sencillo y que refuerza el carácter modular del entorno. El

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software permite dos entornos de ejecución, uno gráfico (Tkenv) y otro a través de un intérprete de comandos (Cmdenv). Trabajando en modo gráfico, se permite una simulación paso a paso (de mensajes), hasta un determinado instante o simulación de forma continua con tres posibles velocidades, según lo planteado en [37]. 3.4.1 Modelo IEEE 802.15.4 para OMNeT++/INET. La simulación se ha realizado en la versión de OMNet++ 4.6 y el Framework INETINETMANET 2.2, que el módulo que implementa la norma IEEE 802.15.4/ZigBee. Este es una contribución externa a OMNeT++ y, en concreto, al paquete INET Framework. Este modelo es una adaptación del implementado en el programa de simulación ns-2 y cumple los requisitos impuestos por la versión del año 2006 de la norma, de acuerdo con [38]. La figura 3.6 muestra la estructura seguida por este modelo.

Fig. 3.6 Estructura conceptual del modelo IEEE 802.15.4.

3.4.2 Escenario de Simulación. Para el escenario de simulación se tomarán los datos del caso de estudio 2 conformado por 31 nodos y un nodo coordinador, por lo que los nodos sensores se comunican con el coordinador. La simulación realizada muestra cómo se ajustan las transmisiones de los elementos de la red utilizando el protocolo AODV (Vector de Distancia Bajo Demanda Ad-hoc, del inglés Ad-hoc On Demand Distance Vector).

Una de las características que define a AODV es el uso de tablas de enrutamiento en cada nodo para evitar transportar rutas en los paquetes. Cada destino de la tabla de 64

enrutamiento lleva asociado un número de secuencia y un temporizador o tiempo de vida (del inglés lifetime). Este número permite distinguir entre información nueva e información antigua, de tal manera que se evita la formación de lazos y la transmisión de rutas caducadas. La función del temporizador es evitar usar enlaces de los que no se conoce su estado desde hace mucho tiempo. AODV no mantiene rutas para cada nodo de la red. Estas rutas son descubiertas según se vayan necesitando bien sea que se activen o desactiven nodos en la red. AODV es capaz de proveer transmisión unicast, multicast y broadcast. La transmisión unicast consiste en enviar datos de un nodo a otro, la trasmisión multicast consiste en enviar información de un nodo a un grupo de nodos y la transmisión broadcast consiste en enviar datos de un nodo a los demás nodos de la red. Los descubrimientos de rutas son siempre bajo demanda y siguen un ciclo de petición/respuesta de ruta. Las peticiones son enviadas usando un paquete especial denominado RREQ (Solicitud de Ruta, del inglés Route Request). A su vez, las respuestas son enviadas en un paquete denominado RREP (Respuesta de Ruta, del inglés Route Reply). A continuación se resume la secuencia de pasos para descubrir una ruta: 1. Cuando un nodo desea conocer una ruta hacia un nodo destino, envía por broadcast un RREQ. 2. Cualquier nodo que conozca una ruta hacia el destino solicitado (incluido el propio destino) puede contestar enviando un RREP. 3. Esta información viaja de vuelta hasta el nodo que originó el RREQ y sirve para actualizar las rutas de los nodos que lo necesiten. 4. La información recibida por el nodo destino del RREP se almacena en su tabla de enrutamiento. Ahora, el nodo ya podría enrutar el paquete de datos, pues ya conoce un camino hacia el destino. La figura 3.7 muestra todos los nodos del caso de estudio 2 en la interfaz gráfica de Omnet++, llamada TKenv. Los nodos están identificados en la simulación por los

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círculos de color amarillo y los paquetes que se envían se pueden ver como círculos de color rojo.

Fig. 3.7 Escenario del caso 2 en la interfaz gráfica TKenv.

El envío de la petición se puede observar en la figura 3.8. El nodo origen, nombrado receiver, genera un mensaje RREQ y los nodos vecinos lo reciben y lo reenvían sucesivamente, hasta alcanzar el nodo destino. Los nodos llevan un registro de los mensajes RREQ recibidos para no reenviar la misma solicitud varias veces, ya que esto sobrecargaría la red. Aunque en la simulación no resultan visibles los saltos del mensaje entre nodos para llegar a los que se encuentran fuera del área de cobertura, esto es lo que hace posible que lleguen los paquetes a todos los nodos de la red.

Fig. 3.8 Envío de paquete RREQ desde el nodo receiver.

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Cuando el nodo que recibe el paquete RREQ es el propio nodo destino o es un nodo intermedio que posee una ruta válida hacia el destino, en este caso es el nodo L13, se genera un mensaje de respuesta RREP. Los nodos vecinos lo reciben y lo reenvían sucesivamente, hasta alcanzar el nodo destino. Los mensajes RREQ recibidos son registrados en los nodos para no reenviar la misma solicitud varias veces, de esta manera se evita la sobrecarga de la red. En la figura 3.9 se puede observar este proceso.

(a)

(b) Fig. 3.9 Envío del paquete RREP, (a) nodo L13 enviando RREP, (b) paquete RREP llegando a los nodos de la red.

La simulación realizada permite comprobar que en la red estructurada tipo malla del caso de estudio 2 todos los nodos se comunican entre sí. 67

3.4.3 Configuración de los Parámetros. La configuración se realiza en el fichero omnet.ini. Los parámetros fundamentales que se configuraron para esta simulación fueron: Tabla 3.12. Parámetros modificados en el fichero omnet.ini. Parámetros Descripción radio.transmitter.maxCommunicationRange = 90m; Rango de Comunicación de los nodos. radio.receiver.ignoreInterference = true; Simulación en un entorno ideal. numHosts = 31; Cantidad de Host. mobilityType = "StationaryMobility"; Nodos Estáticos. mobility.constraintAreaMaxX = 2000m; Área máxima que ocupa la red (eje x). mobility.constraintAreaMaxY = 2000m; Área máxima que ocupa la red (eje y). mgmt.frameCapacity = 10; Capacidad del Frame. mac.maxQueueSize = 14; Tamaño Máximo de la Cola. mac.rtsThresholdBytes = 2000B; Cantidad de Byte soportados por la red. mac.retryLimit = 7; Número máximo de intentos. mac.cwMinData = 7; Tamaño mínimo del dato. mac.cwMinMulticast = 31 Cantidad de Multicast Mínimo. hasStatus = true Todos los nodos están activos en la red.

3.5

Diseño de la Plataforma de Gestión.

Debido a la naturaleza del sistema a desarrollar, múltiples son las tecnologías, y por tanto, múltiples los elementos a utilizar. La Plataforma Web de Gestión SAPI (Sistema de Alumbrado Público Inteligente) se encuentra desarrollada sobre un marco de desarrollo conocido como Medoo, el cual permite acelerar el desarrollo integrando de forma rápida PHP con bases de datos (MYSQL), descrito en [39]. 3.5.1 Programas Requeridos para el Diseño. 

Servidor Web. En él se encontrarán instaladas las aplicaciones necesarias para almacenar la información de las lámparas (id, localización,…) y para presentar de forma dinámica la página web a los usuarios.



MYSQL. Para almacenar toda la información necesaria para el correcto funcionamiento del sistema, se hace uso de MySQL, sistema de gestión de bases

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de datos relacionales, compatible con una gran cantidad de lenguajes y sistemas operativos, tal y como se explica en [40].

El proceso de instalación de los programas necesarios para el diseño de la Plataforma de Gestión en el Sistema Operativo Windows se describe a continuación: 1- Instalación del Gestor Web. Para este paso se utilizó el entorno más popular de desarrollo con PHP: XAMPP, distribución de Apache completamente gratuita y fácil de instalar que contiene MySQL, PHP, phpMyAdmin y Perl. El paquete de instalación de XAMPP ha sido diseñado para ser increíblemente fácil de instalar y usar, de acuerdo con [41]. Los detalles del proceso de instalación se encuentran en el Anexo F. 2- Montaje de la base de datos. La base de datos de la plataforma se crea utilizando phpMyAdmin, que es una herramienta de gestión de MySQL. Los datos necesarios para la base de datos se muestran en la tabla 3.13: Tabla 3.13. Base de Datos. Nombre: wsn_sapi Usuario: user_sapi Password: user_sapi

El acceso a la herramienta se efectúa por http://localhost/phpmyadmin. El proceso de creación e importación de la base de datos se explica en detalle en el Anexo F. 3- Puesta en Marcha de la Plataforma de Gestión. El directorio principal para todos los documentos WWW es \ xampp \ htdocs. Todo lo que se copie en este directorio, se puede visualizar con el navegador. Por lo que para poder visualizar el sitio es necesario copiar la carpeta sapi dentro de la carpeta htdocs. 3.6

Estructura de la Plataforma de Gestión.

Para la elaboración se ha dividido la plataforma en 4 módulos fundamentales descritos a continuación: Módulo I: Acceso. La información mostrada en la plataforma solo debe ser vista por el personal encargado de la operación de la red de alumbrado. Por esta razón se ha

69

creado un módulo para restringir el acceso solo a personas autorizadas mediante un usuario y contraseña. Módulo II: Principal. Desde este módulo se puede acceder a todos los componentes del sistema y se muestra la información general de la Red de Alumbrado Público, que puede observarse en distintos niveles: nivel general de la red, nivel de provincia, nivel de municipio o nivel de circuito de lámparas. Módulo III: Información. En este apartado se visualizan los datos específicos de cada lámpara por individual. Módulo IV: Configuración. En este módulo se puede establecer la configuración de trabajo de la Red de Alumbrado Público. Se pueden agregar nuevas lámparas al sistema, establecer el modo de trabajo del mismo y acceder a la configuración de seguridad de la Plataforma. El diagrama de Flujo de la Plataforma se ilustra a en la figura 3.10:

Acceso

Módulo I

Información General

Módulo II Informació n Provincial

Información Municipal

Información de Luminaria

Módulo III

Módulo IV

Información de Circuito

Registrar Lámparas

Sistema Inteligente

Seguridad

Fig. 3.10. Diseño del Diagrama de Flujo de la Plataforma de Gestión.

70

3.7

Descripción de las Páginas.

En esta sección se relacionan las rutas y el módulo al que pertenece cada página mostrada en el diagrama anterior, así como una descripción de cada una de ellas. 1- Página de Acceso. Las características de esta página se describen a continuación: -

Ruta: http://localhost/sapi/index.php

-

Módulo al que pertenece: Acceso (I).

-

Descripción: La primera página que se muestra al acceder a la Plataforma de Gestión es un control de acceso a través del cual solo pueden acceder los usuarios autorizados. Esta puede observarse en detalle en el Anexo G, figura G.1.

2- Página de Información General. Esta página está caracterizada por: -

Ruta: http://localhost/sapi/inicio.php

-

Módulo al que pertenece: Principal (II).

-

Descripción: La página de Información General muestra la información necesaria del estado de las lámparas que se encuentran conectadas mediante los nodos, por medio de una gráfica con un resumen de la estadística de consumo general y de alertas generadas por fallos en lámparas de toda la red. Además, en todas las páginas se cuenta con un panel, desde el que se puede acceder fácilmente a las funcionalidades del sistema, como se muestra en el Anexo G, figura G.2.

3- Página de Información Provincial. Esta página presenta las siguientes características: -

Ruta: http://localhost/sapi/inicio.php?provincia=nombre

-

Módulo al que pertenece: Principal (II).

-

Descripción: La página de Información Provincial muestra la información de las lámparas incluidas en el sistema en esa provincia. La información es presentada con la misma estructura de la página general, como se muestra en el Anexo G, figura G.2.

4- Página de Información Municipal. Esta página presenta las siguientes características: -

Ruta: http://localhost/sapi/inicio.php?municipio=nombre

71

-

Módulo al que pertenece: Principal (II).

-

Descripción: La página de Información Municipal brinda la información de las lámparas del municipio. La información es presentada con la misma estructura de la página general, como se muestra en el Anexo G, figura G.2.

5- Página de Información de Circuito. Esta página presenta las siguientes características: -

Ruta:http://localhost/sapi/inicio.php?provincia=nombre&municipio1=nombre&ci rcuito=#

-

Módulo al que pertenece: Principal (II).

-

Descripción: La página de Información de Circuito muestra en un mapa la ubicación de las lámparas. Las que se encuentren representadas con un círculo rojo están apagadas y las señaladas con un círculo verde se encuentran encendidas. También desde esta página se puede actuar sobre sobre el funcionamiento de una lámpara en específico. Para ver más detalles de cada lámpara se puede seleccionar una de ellas en el mapa, tal y como se muestra en el Anexo G, figura G.3.

6- Página de Información de Lámpara. Con la características: -

Ruta: http://localhost/sapi/lamp.php?id=#

-

Módulo al que pertenece: Información (III).

-

Descripción: La página de Información de Lámpara ofrece toda la información referente al modelo, consumo, tiempo de vida y estado. Además, desde aquí también brinda la opción de cambiar su estado y tipo de control. En el Anexo G, figuras G.4 y G.5, se puede observar esta página.

7- Página de Registro de Lámparas. Con la características: -

Ruta: http://localhost/sapi/registrar.php

-

Módulo al que pertenece: Configuración (IV).

-

Descripción: En esta página aparecen las lámparas que se han agregado a la red pero no se conoce su localización. La acción editar permite incluir los datos generales para concluir su adición al sistema. En el Anexo G, figura G.6, se puede observar esta página.

8- Página de Sistema Inteligente. Caracterizada por:

72

-

Ruta: http://localhost/sapi/sistema_inteligente.php

-

Módulo al que pertenece: Configuración (IV).

-

Descripción: La página de configuración del Sistema Inteligente permite configurar los horarios en que se varía la intensidad de las lámparas equipadas con los nodos. Se establecen rangos de horarios para poner las lámparas a media intensidad (70%) y para baja intensidad (50%). Las lámparas funcionarán al 100% en los horarios que no se encuentren dentro de los rangos. Esta página se muestra en el Anexo G, figura G.7.

9- Página de Seguridad. Tiene las siguientes características: -

Ruta: http://localhost/sapi/seguridad.php

-

Módulo al que pertenece: Configuración (IV).

-

Descripción: La página de seguridad permite cambiar la clave de acceso al sistema del usuario autenticado. Esta página se muestra en el Anexo G, figura G.8.

3.8

Programación de la Plataforma.

Primero se tiene en cuenta la implementación de algunas funciones que se pueden considerar como básicas del sistema: - Autenticar usuarios en la plataforma para garantizar un cierto nivel de control de acceso al sistema. - Permitir cambios de la clave de acceso de un usuario. Luego son necesarias las funciones que garantizan el cumplimiento de los objetivos de la plataforma. Para ello se crean diferentes tipos, las cuales permiten obtener y enviar datos desde la plataforma al nodo y viceversa, garantizando la recepción por parte de la plataforma del ip y consumo de una luminaria y el envío de datos de gestión desde la plataforma, como lo son el tipo de control que debe implementar el nodo y la intensidad de funcionamiento de las luminarias. En el Anexo G, tabla G.1 se pueden observar los detalles de cada función diseñada: el nombre que poseen, los datos que requieren para trabajar, los datos que devuelven y una breve descripción de lo que realizan.

73

3.9

Estructura de la Base de Datos del Sistema.

La base de datos diseñada consta de 8 tablas que pueden observarse en la figura 3.11. Las tablas registro_de_lamp, consumo_de_lamp y modelo_de_lamp se encargan de almacenar toda la información asociada a las lámparas. La tabla horario_de_trabajo y controles son tablas auxiliares que almacenan las horas de funcionamiento por meses y los 3 tipos de control que se definieron: -

Control inteligente: será el definido por el usuario variando la intensidad de la lámpara en determinados horarios a través de la plataforma y controlado por el sensor de proximidad en la lámpara.

-

Control manual: cuando las lámparas se encuentran en esta variante el operador puede apagar o mantener encendidas las luminarias tanto tiempo como lo desee. Este tipo de control se creó pensando en la posibilidad de controlar a voluntad las lámparas para labores de mantenimiento o en días muy lluviosos, por ejemplo.

-

Control por fotocelda: las lámparas se mantendrán encendidas de acuerdo con la fotocelda instalada en la luminaria. En este modo el nodo solo monitorea el consumo de la lámpara.

La tabla sistema_inteligente se encarga de almacenar los rangos de horarios de las lámparas que tienen control inteligente. Los rangos definidos establecen cuando las lámparas estarán a media o baja intensidad. La tabla alertas se encarga de registrar todos los fallos que ocurren en las luminarias, principalmente las luminarias apagadas o encendidas fuera del horario de trabajo. Adicionalmente se ha establecido una alerta cuando la luminaria excede sus horas de trabajo, para avisar al operador que es necesario el mantenimiento de dicha luminaria. La tabla usuarios contiene los usuarios y las claves de acceso para acceder al sistema.

74

Fig. 3.11 Estructura de la Base de Datos Diseñada para la Plataforma SAPI.

3.10 Funcionamiento de la Plataforma de Gestión. En esta sección de describe el funcionamiento de la Plataforma de Gestión y cómo ésta se actualiza para brindarle al usuario la información en tiempo real del estado de las lámparas a través de la red de sensores instalados. 3.10.1 Actualización de la Plataforma con los datos de la red.

Cuando un nodo es insertado en la red comienza cada 5 minutos a compartir su dirección ip y consumo de potencia utilizando como formato de mensaje "ip_valor \n pot_valor". Esta información llega mediante la función de recibir datos a la plataforma que procesa el mensaje separándolo por el carácter "_" y luego identifica el tipo de datos ip o potencia (pot) y lo guarda en la base de datos. Luego cuando se carga la página Registrar Lámparas se podrá observar que tenemos una nueva lámpara en el sistema, la cual necesita ser actualizada con los datos de su ubicación.Los datos que envía el nodo son: Tabla 3.14. Datos generales del Nodo inalámbrico. Datos del Registro Descripción ID Identificador de la lámpara, generado en el momento que se inserta. IP Dirección IP del Módulo Xbee. Estado del Nodo ON/OFF Fecha Hora y fecha exacta de su registro en el sistema

75

Las lámparas nuevas permanecen en el listado hasta que no son actualizadas con los datos específicos que se muestran a continuación: Tabla 3.15. Datos generales del Nodo inalámbrico. Datos del Registro Descripción Modelo Modelo de lámpara. Nombre Nombre asociado a la lámpara (Ej: L1-C23). GPS Coordenadas exactas de donde se encuentra ubicada la lámpara. (Son proporcionadas durante el despliegue de la red). Provincia Nombre de la provincia del país. Municipio

Nombre del municipio.

Circuito Control

Grupo al que se encuentra asociada la lámpara. Define el tipo de control en el que estará operando la lámpara. Estos son: Inteligente/Manual/Fotocelda.

3.11 Mensajes de Intercambio Plataforma-Red. Para enviar la orden de encender o apagar a una lámpara desde la plataforma en la página Circuito de Lámparas, descrita en apartados anteriores, se selecciona y se actualiza el estado que se desea. El estado es transmitido al nodo utilizando la función enviar datos, a la cual se le pasa el mensaje con el siguiente formato "control \n valor \n intensidad \n valor \n". La información es recibida por el nodo, el cual actualiza su estado con los nuevos datos. Para ilustrar las interacciones entre la plataforma y un nodo fue necesario realizar una serie de ajustes en la programación de la plataforma tales como agregar la librería PHP-serial y configurar los modos de envío y recepción de datos utilizando el puerto serial. Para ello se estableció como requisito para la comunicación una Tasa de Baudios (en inglés, Baud Rate) de 9600, Paridad ninguna, configuración de la longitud del carácter a 8, bits de paradas 1 y Control de flujo ninguno. Estas configuraciones pueden ser examinadas en detalles en el Anexo G, en la sección donde se muestran los códigos de las funcionalidades implementadas en la plataforma. Desde un nodo de la red se envían tres datos fundamentales para la gestión del sistema:

76

-

Estado del nodo

-

Estado de la lámpara

-

Consumo de la lámpara.

Si se envía el dato del estado de la lámpara en la base de datos de la plataforma se modificará la tabla: registro_de_lamp y los campos de la tabla que se modificarán serán: estado_nodo y estado_lamp. Esta actualización se ejecuta mediante el procedimiento implementado en la función recibir_datos expuesto en el apartado anterior, haciendo uso de “_” para separar los datos. Si desde el nodo se envía el dato del consumo de la lámpara entonces en la base de datos se modificará la tabla consumo_de_lamp y este dato se guardará en el campo consumo. De la misma manera esta actualización se ejecuta mediante el procedimiento implementado en la función recibir_datos. 3.12 Manejo del Consumo y Visualización Gráfica en la Plataforma de Gestión. Cuando se accede a cualquier página del Módulo de Información se ejecuta la función para obtener el consumo. Esta función recorre la tabla de consumo_de_lamp verificando las lámparas o lámpara que cumpla con los parámetros requeridos, estos son zona (puede ser municipio, provincia o coordenadas gps) y fecha (opcional). Una vez procesada la consulta arroja un arreglo de resultados de fecha y consumo asociados a una lámpara o grupo de lámparas. El arreglo es recorrido por un ciclo y almacena de forma acumulativa en una variable el consumo en W/h usando la expresión de "𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜_ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠". Una vez finalizado, comprueba si el consumo es mayor que 1000 y en dicho caso ajusta el valor y devuelve el consumo y la unidad de medida kW/h. Para efectuar el graficado se lleva el dato obtenido de php a jQuery utilizando funciones de json_encode, json_decode y JSON.stringify, definidas por defecto en la librería de jQuery. Los datos son pasados a una librería de graficado de nombre HighCharts que se encarga de procesarlos y generar la gráfica en la página web. En necesario recordar que todas estas funcionalidades de la plataforma son transparentes para el usuario.

77

3.13 Demostración del Funcionamiento del Sistema de Gestión. Para ilustrar la interacción del Sistema de Gestión con un nodo de la WSN, ya que no se cuenta con los dispositivos físicos, se ha empleado como recurso la simulación. Para ello se ha utilizado Proteus, que es una compilación de programas de diseño y simulación electrónica, desarrollado por Labcenter Electronics que consta de los dos programas principales: Ares e Isis, y los módulos VSM y Electra, como se explica en [42]. Mediante esta herramienta se ha recreado el comportamiento de los elementos que contiene el nodo sensor. Adicionalmente se ha enlazado este nodo virtual con la Plataforma de Gestión, permitiendo interactuar sobre la simulación y desde el nodo simulado, permite también, enviar los datos obtenidos por este y mostrarlos al usuario en dicha plataforma. 3.13.1 Simulación del Nodo en Proteus. El nodo simulado está conformado por los módulos propuestos en la etapa de diseño de la WSN. Se debe aclarar que estos circuitos diseñados en Proteus cumplen con el funcionamiento de los módulos propuestos, pero no son exactamente iguales a estos. 3.13.1.1

Módulo de Sensores.

Se ha representado el funcionamiento de los sensores de corriente y de proximidad mediante los circuitos representados en la figura 3.12.

(a)

78

(b) Fig. 3.12. Módulo de Sensores. (a) Sensor de Corriente, (b) Sensor de Proximidad.

3.13.1.2

Módulo Actuador.

En esta sección del circuito se ha representado el funcionamiento del Atenuador o Dimmer propuesto para regular la potencia de la lámpara de acuerdo con los estados definidos en el microcontrolador. El circuito se muestra en la figura 3.13.

Fig. 3.13. Módulo Actuador.

3.13.1.3

Módulo de Procesamiento.

Para la simulación y programación del microcontrolador Arduino Uno se ha hecho uso de la librería Simulino, la cual facilita el estar colocando distintos Atmega, cristales de cuarzo, etc… para simular los Arduinos. En [43] se puede obtener de forma gratuita esta librería y además, se explica el proceso de instalación. Una descripción del pinout del Arduino Uno puede observarse en detalle en el Anexo H, figura H.1. El

79

microcontrolador empleado en Proteus haciendo uso de esta librería se muestran en la fig.3.14:

Fig. 3.14. Arduino Uno en Proteus.

Además de la librería de Proteus es necesario instalar un software de código abierto llamado Arduino (IDE), que permite escribir el código para programar el Arduino y pasarlo fácilmente al dispositivo. Este software se puede utilizar con cualquier placa Arduino. Tiene un lenguaje simple, basado en C/C++. La documentación necesaria, así como el software pueden obtenerse en [44]. El entorno de trabajo del software de programación para Arduino se puede observar en la figura 3.15, el código que aparece en la figura es una sección del programado para el funcionamiento del nodo.

Fig. 3.15. Entorno de Trabajo de Arduino IDE.

80

Para configurar el Arduino Uno de Proteus, se deben programar las funcionalidades en el software Arduino IDE, seleccionando en primer lugar el tipo de dispositivo (Board). Para ello en el menú "Tools" - "Board" y se selecciona "Arduino Uno". Para guardar los ficheros de programación generados. Luego, en la simulación de Proteus se presiona click derecho sobre el Arduino y en la opción Edit Component se le asigna la ruta donde se encuentran los ficheros de programación, se debe seleccionar el archivo con extensión .cpp.hex. Entre las funcionalidades programadas en el nodo se encuentran: 

Apagar / Encender la lámpara.



Regular la intensidad de la lámpara a tres posibles estados: Alto (100%), Medio (70%) y Bajo (50%).



Enviar / Recibir información de la Plataforma de Gestión de forma inalámbrica.



Sensar consumo de la lámpara.



Sensar proximidad.

Los códigos de estas funciones se pueden observar en detalle en el Anexo H. Las conexiones del microcontrolador Arduino Uno con el resto de los módulos se relacionan a continuación. Tabla 3.16. Conexiones del Microcontrolador Arduino Uno. Elementos del Nodo Pin Sensor de Corriente A0 Sensor de Proximidad A1 Fotocelda de la Lámpara A2 Dimmer D5 Comunicación con Plataforma SAPI D0 (RX), D1 (TX)

3.13.1.4

Módulo Transceptor.

La conexión entre Arduino y Xbee Pro Serie 2 no fue posible en Proteus, ya que hasta el momento de la investigación, no existía ninguna librería para simular este módulo. En su lugar se ha implementado una comunicación serial entre Arduino y la Plataforma de Gestión utilizando la librería php-serial y el componente de Proteus COMPIM. De acuerdo con [45], la librería php-serial toma el camino del dispositivo serie ( "/ dev /

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ttyS#" para Linux o "COM#" para Windows) y comprueba si es válida antes de abrir una conexión con él. Una vez abierta la conexión, puede enviar datos al puerto serie, y leer las respuestas. La clase también puede cambiar los parámetros de conexión para el dispositivo serie dado. En la figura 3.16 se muestran los componentes adicionales que se emplearon para visualizar los datos de la comunicación.

Fig. 3.16. Componentes para la comunicación por puerto serie.

La comunicación entre COMPIM de Proteus y php-serial se establece por medio de 2 puertos Virtuales creados por la aplicación Virtual Serial Port (VSPD). Al COMPIM de Proteus se le asocia un COM Virtual de VPSD y al php-serial se le define el otro COM Virtual quedando los 2 conectados y en espera para Transmitir o Recibir. En la figura 3.17 se muestra la ventana de esta aplicación. El puerto asignado al COMPIM será el COM4 y el asignado a la librería php-serial será el COM3.

Fig. 3.17. Aplicación Virtual Serial Port Driver.

82

3.13.2 Ensayos Realizados entre la Plataforma de Gestión y el Nodo Simulado. En este apartado se exponen las pruebas realizadas para comprobar el funcionamiento en conjunto de la Plataforma de Gestión diseñada y un nodo simulado y programado para realizar las funciones de control y monitoreo de la luminaria. 3.13.2.1

Ejemplo 1: Transmisión del Nodo a la Plataforma.

En la figura 3.18 se puede apreciar la captura de una ventana de virtual terminal que muestra como el nodo envía a la Plataforma los datos de la potencia obtenida por el sensor de corriente y la dirección ip proporcionada por el módulo XBee.

Fig. 3.18. Envío de datos desde el sensor a la plataforma.

3.13.2.2

Ejemplo 2: Encendido de una Lámpara desde la Plataforma de

Gestión. Es necesario destacar que la página que se encarga de esta función se encuentra dividida en tres secciones fundamentales. En la primera sección de la página se puede apreciar la información del consumo de potencia, en tiempo real visualizado a través de la gráfica, del circuito de lámparas. En la segunda sección se muestra el mapa con la ubicación de las lámparas del circuito (en este caso se muestra el circuito de la Zona Urbana Vedado), esta sección ofrece la posibilidad de seleccionar una lámpara por individual o un grupo de ellas. Por último en la tercera sección, la plataforma ofrece la opción de actuar sobre las lámparas seleccionadas especificando su estado y el tipo 83

de control. A la izquierda se encuentra el panel SAPI donde se muestra la ubicación de la información que se está visualizando y además se puede acceder a las otras opciones que ofrece la Plataforma de Gestión.

Fig. 3.19. Información de las lámparas de un municipio agrupadas por circuitos.

Si se desea seleccionar una lámpara para encenderla desde la Plataforma de Gestión, se debe seleccionar la lámpara deseada en el mapa de la figura 3.19. Luego, desde la sección inferior se puede variar el tipo de control y seleccionar encender la lámpara. En la figura 3.20 se muestra el comportamiento del nodo simulado en Proteus al recibir la orden de encender la lámpara desde la Plataforma de Gestión.

84

(a)

(b) Fig. 3.20. Proceso de Actuación de la Plataforma sobre la lámpara, (a) lámpara apagada, (b) Nodo recibiendo la orden de encender la lámpara.

Como se puede observar, la Plataforma puede recibir datos del nodo y actuar sobre la lámpara. Todos los módulos del nodo simulados en Proteus, así como las conexiones expuestas en la tabla 3.16 se pueden apreciar en detalle en el Anexo H, figura H.2.

85

3.14 Conclusiones del Capítulo. En el transcurso del capítulo se presentaron los diseños de la WSN para los dos casos de estudio propuestos, para los cuales se propuso todo el equipamiento de la red. Se tuvo en cuenta las características de los entornos para ambos casos de estudio en el proceso de selección del módulo transceptor más adecuado. Al mismo tiempo se tuvo en cuenta el rango de cobertura especificado por el fabricante del módulo Xbee, y se diseñó la red de manera que cada nodo contara con al menos 3 vecinos. Seguidamente se realizó la simulación de la red en el programa de simulación OMNet++ para comprobar que esta puede hacer un uso correcto del protocolo AODV, el cual se considera de primordial importancia para lograr una red capaz de reaccionar ante los fallos. Además, la simulación demuestra que es posible escalar la red, ya que mediante el protocolo AODV los datos recogidos por los nodos sensores pueden recorrer largas distancias hasta alcanzar al nodo coordinador. En la segunda mitad del capítulo se describió el diseño y el funcionamiento de la Plataforma de Gestión Web que manejará los datos recopilados por la WSN. Se presentó la estructura de la Plataforma y de la base de datos. Se expuso como se establecen los mensajes Plataforma-Nodo y Nodo-Plataforma, en este último se describieron los campos de la base de datos que son modificados por los mensajes. Por último, se realizó la simulación de un nodo de la red haciendo uso del software Proteus y se empleó la librería php-serial para explicar la interacción entre un nodo y la Plataforma de Gestión. Estos ensayos mostraron cómo se puede lograr el monitoreo y el control sobre la red de alumbrado haciendo uso de los sensores implantados en las lámparas.

86

CAPÍTULO 4

“Análisis Económico Completo para los Casos de Estudio Propuestos”.

4.1

Introducción.

El ahorro de energía es sumamente importante hoy en día, por esta razón la meta está en la reducción de los precios de operación del Alumbrado Público. La forma que propone este proyecto es lograrlo con la creación de un sistema caracterizado por bajo consumo de potencia. Es por ello que en este capítulo se realizará un estudio económico para un período de 10 años, lo cual permitirá comparar el Sistema de Alumbrado con Luminarias VSAP (en funcionamiento actualmente), el Sistema con Lámparas LED y el Sistema con Lámparas LED trabajando en conjunto con la WSN controlada por la Plataforma de Gestión y Monitoreo.

87

4.2

Horas de Funcionamiento del Alumbrado Público.

Las horas de funcionamiento del alumbrado público varían dependiendo del mes y la estación del año. Por esta razón, en la tabla 4.1 se muestran los horarios aproximados de la salida y la puesta del Sol en Cuba para cada mes del año, de acuerdo con los datos recogidos en [46]. A partir de estos datos se puede conocer los horarios de funcionamiento del alumbrado público en cada mes del año. Tabla 4.1. Horas de Funcionamiento del Alumbrado Público en Cuba. Atardecer/ Funcionamiento/ Días/ Funcionamiento/ Meses Amanecer día (Horas) mes Mes (Horas) Enero 6:00 pm-7:00 am 13 31 403 Febrero 6:00 pm-7:00 am 13 28 364 Marzo 7:30 pm-7:30 am 12 31 372 Abril 8:00 pm-7:00 am 11 30 33 Mayo 8:00 pm-6:30 am 10.30 31 319.33 Junio 8:15 pm-6:45 am 10.30 30 309 Julio 8:20 pm-6:45 am 10.25 31 317.75 Agosto 8:00 pm-7:00 am 11 31 341 Septiembre 7:30 pm-7:15 am 11.45 30 343.5 Octubre 7:00 pm-7:30 am 12.30 31 381.3 Noviembre 5:45 pm-6:45 am 13 30 390 Diciembre 5:45 pm-7:00 am 13.15 31 407.65

De esta forma, se obtiene que el total de horas al año de utilización del Alumbrado Público asciende a 4278,5 horas. A partir de este dato se puede realizar el estudio energético y de gastos para los dos casos de estudio, como se verá en los próximos apartados. 4.3

Zona Urbana Vedado.

Se analizará la Zona Urbana Vedado partiendo de la cantidad de luminarias actuales que presenta el área. 4.3.1 Estudio energético del Sistema con Luminarias VSAP. El consumo del Sistema de Alumbrado se analizará en un período de 10 años. Por otro lado, mediante el producto de la cantidad de horas de funcionamiento anuales y el consumo de las lámparas del área se puede conocer el consumo en kWh de las

88

lámparas en un año. Con los kWh/año se puede continuar con el cálculo del consumo para 5 años y 10 años. En la tabla 4.2 se observan todos los datos de consumos mencionados. Tabla 4.2. Consumo de lámparas VSAP en la Zona Urbana Vedado. Lámpara VSAP Cantidad Lámparas M200-150W 15 M400-250W 35 Consumo Total en la Zona Urbana Vedado Consumo Total en 1 año Consumo Total en 5 años Consumo Total en 10 años

Potencia (W) 250 100

Potencia Total (W) 3750 4500 8250 35004,75 kWh 175023,75 kWh 350047.5 kWh

4.3.2 Análisis de Gastos. Para el caso de las lámparas VSAP es necesario un reemplazo de la bombilla cada 5 años de explotación de la lámpara debido al tiempo de vida, este aspecto debe tenerse en cuenta para el análisis con este tipo de luminaria. Los precios de las bombillas VSAP, de acuerdo con [47, 48] se muestran en la tabla 4.3: Tabla 4.3. Costos de la Sustitución de Bombillas VSAP para la Zona Urbana Vedado. Precio unitario (usd) Bombillas a Sustituir Total (usd) Tipo de Bombilla 17 15 255 VSAP 150 W 24 45 1080 VSAP 250 W Costo Total de Sustitución (usd) 2670 Costo Total de Sustitución (CUP) 70755 Costo Total de Sustitución (CUC) 2830,2

El servicio de Alumbrado Público en nuestro país es pagado por el Poder Popular, para el cual existe una tarifa especial, especificada en la Resolución No. 277 del Ministerio de Finanzas y Precios. Esta información solo puede ser vista por los usuarios del Ministerio, razón por la cual, en este estudio se tomará la tarifa que se aplica al Sector Residencial para poder hacer las comparaciones entre las diferentes variantes, en la tabla 4.4 se observa la tarifa de Alumbrado Público vigente actualmente para el sector residencial.

89

Tabla 4.4. Tarifa Actual del Servicio Eléctrico para el Sector Residencial por cada Kilowatthora consumido. Consumo Tarifa Primeros 100 kWh 0,09 pesos (9 centavos) Entre 101 y 150 kWh 0,30 pesos (30 centavos) Entre 151 y 200 kWh 0,40 pesos (40 centavos) Entre 201 y 250 kWh 0,60 pesos (60 centavos) Entre 251 y 300 kWh 0,80 pesos (80 centavos) Más de 300 kWh 1,30 pesos (1 peso y 30 centavos)

Al aplicar el precio del kWh consumido al total de kWh consumidos al año, obtenemos que el gasto económico originado por el consumo eléctrico de las lámparas es de 45230,175 CUP, lo cual equivale a 1809,207 CUC. Atendiendo a los datos expuestos los puntos anteriores los Gastos de un Sistema de Alumbrado con lámparas VSAP en un período de 10 años en la Zona Urbana Vedado son: Tabla 4.5. Gastos del Sistema con Lámparas VSAP en un Período de 10 Años. Período Consumo (kWh) Gastos (CUP) Gastos (CUC) 1 Año 35004,75 5 Años 175023,75 10 Años 350047,5 Costos x sustitución de bombillas

45230,175 227254,875 454785,75 70755

1809,207 9090,195 18191,43 2830,2

Es importante destacar que se parte de que el sistema ya está creado y en funcionamiento. Por otro lado en el análisis de gastos no se han incluido los gastos por mantenimiento (cambio de luminarias, bombillas y otros recursos en caso de roturas). 4.3.3 Estudio Energético del Sistema con Lámparas LED. Igualmente se analizará en un período de 10 años. Partiendo del producto de la cantidad de horas de funcionamiento anuales y el consumo de las lámparas del área se puede conocer el consumo en kWh de las lámparas LED en un año y a partir de este dato se puede conocer el consumo en kWh para 5 y 10 años. En la tabla 4.6 se observan todos los datos relacionados con el consumo.

90

Tabla 4.6. Consumo de Luminarias LED en la Zona Urbana Vedado. Lámpara LED Cantidad Lámparas LD3CI-90W 15 LX-SL470-40w 45 Consumo Total en la Zona Urbana Vedado Consumo Total en 1 año Consumo Total en 5 años Consumo Total en 10 años

Potencia (W) 90 40

Potencia Total (W) 1350 1800 3150 13365,45 kWh 66827,25 kWh 133654,50 kWh

4.3.4 Análisis de Gastos. Para el caso de las lámparas LED se tendrá en cuenta la inversión necesaria para de la sustitución de las luminarias. Los precios las luminarias y el costo total de la sustitución las luminarias LED propuestas en apartados anteriores, se muestran en la tabla 4.7: Tabla 4.7. Costos del Cambio de Luminarias LED para la Zona Urbana Vedado. Precio unitario (usd) Luminarias a Sustituir Total (usd) Tipo de Luminaria 135 15 2025 LD3CI-90W 60 45 2700 LX-SL470-40W Costo Total de Sustitución (usd) 4725 Costo Total de Sustitución (CUP) 125212,5 Costo Total de Sustitución (CUC) 5008,5

Luego de la inversión inicial de las lámparas LED, como estas tienen un tiempo de vida de 50 000 horas no es necesario realizar ningún cambio de luminarias en un período de aproximadamente 10 años, a excepción de las labores de mantenimiento normales, lo cual representa una gran ventaja para el sistema. Solo resta analizar el gasto económico originado por el consumo eléctrico de las lámparas LED. Para ello se debe aplicar la tarifa eléctrica al total de kWh consumidos al año. Aplicando la tarifa expuesta se obtiene un gasto de 17 099,085 CUP, lo cual equivale a 683,9634 CUC. Atendiendo a los datos expuestos los puntos anteriores el Gasto de un Sistema de Alumbrado con lámparas LED en un período de 10 años para la Zona Urbana Vedado son: 91

Tabla 4.8. Gastos del Sistema con Lámparas LED en un Período de 10 Años. Período Consumo (kWh) Gastos (CUP) Gastos (CUC) 1 Año 13365,45 5 Años 66827,25 10 Años 133654,50 Costos x cambio de luminarias LED

17099,085 86599,425 173474,85 125212,5

683,9634 3463,977 6938,994 5008,5

Es importante destacar que en este caso se parte de la inversión inicial para el cambio de luminarias LED, pero esto solo es necesario una vez. Los gastos que tendrá el sistema más adelante serán sólo los del consumo y los de mantenimiento (sustitución de LEDs y/o luminarias, etc.). 4.3.5 Estudio energético del Sistema con Lámparas LED y Control mediante WSN. Para este caso se debe tener en cuenta que el consumo no será el mismo en todas las horas de funcionamiento, esto es debido a la ventaja del control mediante WSN que radica en reducir el nivel de intensidad de las lámparas en determinados horarios, donde exista menos tránsito de personas y vehículos en las calles. El sistema establece 3 niveles de intensidad en el que pueden operar las lámparas: -

Nivel Alto: 100% de la potencia de la lámpara.

-

Nivel Medio: 70% de la potencia de la lámpara.

-

Nivel Bajo: 50% de la potencia de la lámpara.

En la figura 4.1 se muestra una propuesta de las horas de funcionamiento para cada nivel de potencia, teniendo en cuenta los horarios de funcionamiento en cada mes:

92

Propuesta de Horas de Funcionamiento para los Niveles de Potencia 6 5 4 3 2 1 0

Horas funcionamiento a nivel alto/día

Horas funcionamiento a nivel medio/dia

Horas funcionamiento a nivel bajo/día

Fig. 4.1 Horas de Funcionamiento para cada nivel de intensidad por meses del año.

De acuerdo con la propuesta de horas realizada, el total de horas de funcionamiento al año para cada nivel es de: nivel alto con 1629 horas, medio con 1368 horas y bajo con 1246 horas. El total de los consumos en cada nivel permite obtener los valores de consumo anual, para 5 y 10 años. Estos datos mencionados se muestran de detalle en la tabla 4.9: Tabla 4.9. Consumo de Luminarias LED con Control mediante WSN para el caso 1. Consumo por Consumo en el Consumo anual Niveles de Potencia Tipo de Lámpara área en cada del área en cada estado (Wh) estado (kWh) Estado LD3CI-90W LX-SL470-40w Alto (100%) Medio (70%) Bajo (50%) Consumo Total en 1 Año Consumo Total en 5 Años Consumo Total en 10 Años

90 63 45

40 28 20

3150 2205 1575

5131,35 3016,44 1962,45 10110,24 50551,20 101102,40

4.3.6 Análisis de Gastos. Para el análisis de gastos se asumirá que la sustitución de luminarias LED ya se ha realizado y sólo se tendrá en cuenta los costos de la inversión de la WSN y el consumo del sistema.

93

4.3.6.1 Costo de los Elementos que Conforman la WSN. Cada uno de los nodos instalados en las lámparas estará compuesto por los elementos mostrados en la tabla 4.10. Los precios de los elementos se han seleccionado de acuerdo con [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 y 35]. Tabla 4.10. Precio de los Elementos por Individual. Elemento Precio Unitario (usd) Arduino Uno 26 Xbee Serie 2 Pro 28 Adaptador Xbee-Arduino 7.5 Sensor PIR 4.4 Sensor de Corriente 7.51 Actuador 15 Transformador 220/12v 8.5 Encapsulado del Nodo 5 Precio Total de un nodo 101,91 Precio Nodo sin Sensores 70 Precio Gateway 140,28

El costo total de todos los elementos de la red se puede apreciar en la tabla 4.11: Tabla 4.11. Costo Total de los Elementos de la WSN para la Zona Urbana Vedado. Cantidad de Nodos Precio Unitario (USD) Cantidad Total Nodos con Sensores 101,91 Nodo sin Sensores 70 Gateway 140.28 Precio total de los elementos de la red (USD) Precio total de los elementos de la red (CUC) Precio total de los elementos de la red (CUP)

60 1 2

6114,6 70 280.56 6465,16 6853,07 171326,74

Aplicando la tarifa eléctrica especificada en apartados anteriores al total de kWh consumidos al año, se obtienen los siguientes resultados, mostrados en la tabla 4.12: Tabla 4.12. Gastos del Sistema con Lámparas LED en un Período de 10 Años. Período Consumo (kWh) Gastos (CUP) Gastos (CUC) 1 Año 10110.24 12867.312 514.69248 5 Años 50551.20 65440.56 2617.6224 10 Años 101102.40 131157.12 5246.2848

94

Es importante destacar que en este caso se parte de la inversión inicial para el despliegue de la WSN, pero esto solo es necesario una vez. Los costos que tendrá el sistema más adelante serán los de mantenimiento (sustitución de LEDs y/o luminarias y mantenimiento de los nodos cuando sea necesario). 4.3.7

Comparación entre los Tres Tipos de Sistema para la Zona Urbana Vedado.

Una vez realizado el estudio energético y de gastos se puede realizar una comparación entre los resultados obtenidos para los tres sistemas. Esto permitirá conocer cuál de estos contribuye más al ahorro de electricidad y a brindar un mejor servicio de Alumbrado Público. Primeramente se establece una comparación entre los consumos de las diferentes variantes. Si se compara el consumo del sistema con lámparas VSAP, actualmente implementado, con un sistema que emplee las lámparas LED, disminuye el consumo de energía en un 61,82%. Pero si el sistema opera con lámparas LED en conjunto el sistema de control con WSN se obtiene una cifra de ahorro del 71,12%, lo cual representa aún más ahorro. En la figura 4.2 se pueden observar el consumo y el ahorro en kWh de los tres sistemas para el caso de estudio Zona Urbana Vedado. 400000.00 350000.00

350047.50

300000.00 248945.10 216393.00

250000.00 200000.00 150000.00

133654.50 101102.40

100000.00 50000.00 0.00 CONSUMO (KWH) Lámparas VSAP

Lámparas LED

AHORRO (KWH) Lámparas LED con WSN

Fig. 4.2 Comparación de Consumo generado en un período de 10 años.

95

Con respecto a los gastos, si el sistema emplea lámparas LED se obtiene una reducción del 34,32%. Pero si el sistema funciona con lámparas LED y el sistema de control mediante WSN el ahorro es del 71,16% con respecto a las lámparas en uso actualmente. Los resultados se muestran en detalle en la figura 4.3: 500000.00 454785.75

450000.00 400000.00 350000.00

298687.35

300000.00

323628.63

250000.00 200000.00

131157.12

150000.00

156098.40

100000.00 50000.00 0.00 GASTOS SIST (CUP) Lámparas VSAP

Lámparas LED

AHORRO (CUP) Lámparas LED con WSN

Fig. 4.3 Comparación Gastos y Ahorros generados en un período de 10 años.

4.4

Zona Rural Itabo.

Para la Zona Rural Itabo también se realizará el estudio del consumo y los gastos en esta sección. 4.4.1 Estudio energético del Sistema con Luminarias VSAP. El consumo del Sistema de Alumbrado se analizará en un período de 10 años, al igual que en el caso anterior. En la tabla 4.13 se observan todos los datos de consumos de la zona. Tabla 4.13. Consumo de lámparas VSAP en la Zona Rural Itabo. Lámpara VSAP Cantidad Lámparas M400-250W 31 Consumo Total en 1 año Consumo Total en 5 años Consumo Total en 10 años

Potencia (W) 250

Potencia Total (W) 7750 32883,25 kWh 164416,25 kWh 328832,50 kWh

96

4.4.2 Análisis de Gastos. Para el caso de las lámparas VSAP es necesario un reemplazo de la bombilla cada 5 años de explotación de la lámpara debido al tiempo de vida, este aspecto debe tenerse en cuenta para el análisis con este tipo de luminaria. Los precios de las bombillas VSAP, de acuerdo con [47, 48], se muestran en la tabla 4.14: Tabla 4.14. Costos de la Sustitución de Bombillas VSAP para la Zona Rural Itabo. Precio unitario (USD) Bombillas a Sustituir Total (usd) Tipo de Bombilla 24 31 744 VSAP 250 W Costo Total de Sustitución (USD) 1488 Costo Total de Sustitución (CUP) 39432 Costo Total de Sustitución (CUC) 1577,28

Al aplicar el precio del kWh consumido al total de kWh consumidos al año, obtenemos que el gasto económico originado por el consumo eléctrico de las lámparas es de 42472,225 CUP, lo cual equivale a 1698,889 CUC. Atendiendo a los datos expuestos los puntos anteriores los Gastos de un Sistema de Alumbrado con lámparas VSAP en un período de 10 años en la Zona Rural Itabo son: Tabla 4.15. Gastos del Sistema con Lámparas VSAP en un Período de 10 Años. Período Consumo (kWh) Gastos (CUP) Gastos (CUC) 1 Año 32883,25 42472,225 1698,889 5 Años 164416,25 213465,125 8538,605 10 Años 328832,50 427206,25 17088,25 Costos x sustitución de bombillas 39432 1577,28

Es importante destacar que se parte de que el sistema ya está creado y en funcionamiento. Por otro lado en el análisis de gastos no se han incluido los gastos por mantenimiento (cambio de luminarias, bombillas y otros recursos en caso de roturas). 4.4.3 Estudio energético del Sistema con Lámparas LED. Igualmente se analizará en un período de 10 años. Partiendo del producto de la cantidad de horas de funcionamiento anuales y el consumo de las lámparas del área se puede conocer el consumo en kWh de las lámparas LED en un año y a partir de

97

este dato se puede conocer el consumo en kWh para 5 y 10 años. En la tabla 4.16 se observan todos los datos relacionados con el consumo. Tabla 4.16. Consumo de Luminarias LED en la Zona Rural Itabo. Lámpara LED Cantidad Lámparas LD3CI-90W 31 Consumo Total en 1 año Consumo Total en 5 años Consumo Total en 10 años

Potencia (W) 90

Potencia Total (W) 2790 11837,97 kWh 59189,85 kWh 118379,70 kWh

4.4.4 Análisis de Gastos. Para el caso de las lámparas LED se tendrá en cuenta la inversión necesaria para de la sustitución de las luminarias. Los precios las luminarias y el costo total de la sustitución las luminarias LED propuestas en apartados anteriores, se muestran en la tabla 4.17: Tabla 4.17. Costos del Cambio de Luminarias LED para la Zona Rural Itabo. Precio unitario (usd) Luminarias a Sustituir Total (USD) Tipo de Luminaria 135 31 4185 LD3CI-90W Costo Total de Sustitución (USD) 4185 Costo Total de Sustitución (CUP) 110902,5 Costo Total de Sustitución (CUC) 4436,1

Luego de la inversión inicial de las lámparas LED, como estas tienen un tiempo de vida de 50 000 horas no es necesario realizar ningún cambio de luminarias en un período de aproximadamente 10 años, a excepción de las labores de mantenimiento normales, lo cual representa una gran ventaja para el sistema. Solo resta analizar el gasto económico originado por el consumo eléctrico de las lámparas LED. Para ello se debe aplicar la tarifa eléctrica al total de kWh consumidos al año. Aplicando la tarifa expuesta se obtiene un gasto de 15113, 361 CUP, lo cual equivale a 604,53 CUC. Atendiendo a los datos expuestos los puntos anteriores el Costo de un Sistema de Alumbrado con lámparas LED en un período de 10 años para la Zona Rural Itabo son:

98

Tabla 4.18. Gastos del Sistema con Lámparas LED en un Período de 10 Años. Período Consumo (kWh) Gastos (CUP) Gastos (CUC) 1 Año 11837,97 5 Años 59189,85 10 Años 118379,70 Costos x cambio de luminarias LED

15113,361 76670,805 153617,61 110902,5

604,53 3066,83 6144,70 4436,1

Es importante destacar que en este caso se parte de la inversión inicial para el cambio de luminarias LED, pero esto solo es necesario una vez. Los costos que tendrá el sistema más adelante serán sólo los del consumo y los de mantenimiento (sustitución de LEDs y/o luminarias, etc.). 4.4.5 Estudio energético del Sistema con Lámparas LED y Control mediante WSN. Para este caso se debe tener en cuenta que el consumo no será el mismo en todas las horas de funcionamiento. El sistema establece 3 niveles de intensidad en el que pueden operar las lámparas: -

Nivel Alto: 100% de la potencia de la lámpara.

-

Nivel Medio: 70% de la potencia de la lámpara.

-

Nivel Bajo: 50% de la potencia de la lámpara.

En la figura 4.4 se muestra una propuesta de las horas de funcionamiento para cada nivel de potencia, teniendo en cuenta los horarios de funcionamiento en cada mes:

99

Propuesta de Horas de Funcionamiento para los Niveles de Potencia 6 5 4 3 2 1 0

Horas funcionamiento a nivel alto/día

Horas funcionamiento a nivel medio/dia

Horas funcionamiento a nivel bajo/día

Fig. 4.4 Horas de Funcionamiento para cada nivel de intensidad por meses del año.

De acuerdo con la propuesta de horas realizada, el total de horas de funcionamiento al año para cada nivel es de: nivel alto con 1629 horas, medio con 1368 horas y bajo con 1246 horas. El total de los consumos en cada nivel permite obtener los valores de consumo anual, para 5 y 10 años. Estos datos mencionados se muestran de detalle en la tabla 4.19: Tabla 4.19. Consumo de Luminarias LED con Control mediante WSN para el caso 2. Consumo por Niveles de Consumo en el Consumo anual del área en Tipo de Potencia cada estado (kWh) área en cada Lámpara estado (Wh) Estado LD3CI-90W Alto (100%) Medio (70%) Bajo (50%) Consumo Total en 1 Año Consumo Total en 5 Años Consumo Total en 10 Años

90 63 45

2790 1953 1395

4544,91 2671,17 1738,17 8954,78 44773,92 89547,84

100

4.4.6 Análisis de Gastos. Para el análisis de gastos se asumirá que la sustitución de luminarias LED ya se ha realizado y sólo se tendrá en cuenta los costos de la inversión de la WSN y el consumo del sistema. 4.4.6.1 Costo de los Elementos que Conforman la WSN. Cada uno de los nodos instalados en las lámparas estará compuesto por los elementos mostrados en la tabla 4.20. Los precios de los elementos se han seleccionado de acuerdo con [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 y 35]. Tabla 4.20. Precio de los Elementos por Individual. Elemento Precio Unitario (USD) Arduino Uno 26 Xbee Serie 2 Pro 28 Adaptador Xbee-Arduino 7.5 Sensor PIR 4.4 Sensor de Corriente 7.51 Actuador 15 Transformador 220/12v 8.5 Encapsulado del Nodo 5 Precio Total de un nodo 101,91 Precio Nodo sin Sensores 70 Precio Gateway 140,28

El costo total de todos los elementos de la red se puede apreciar en la tabla 4.21: Tabla 4.21. Costo Total de los Elementos de la WSN para la Zona Rural Itabo. Cantidad de Nodos Nodos con Sensores Nodo sin Sensores Gateway

Precio Unitario (USD) 101,91 70 140.28

Precio total de los elementos de la red (USD) Precio total de los elementos de la red (CUC) Precio total de los elementos de la red (CUP)

Cantidad 31 1 2

Total 3159,21 70 280.56 3509,77 3720,36 93008,91

Como las lámparas LED tienen un tiempo de vida de 50 000 horas no es necesario realizar ninguna labor de mantenimiento en las luminarias en un período de

101

aproximadamente 10 años, lo cual adiciona una gran ventaja para el sistema. Solo resta analizar el gasto económico originado por el consumo eléctrico de las lámparas LED. Aplicando la tarifa eléctrica especificada en apartados anteriores al total de kWh consumidos al año, se obtienen los siguientes resultados, mostrados en la tabla 4.22: Tabla 4.22. Gastos del Sistema con Lámparas LED en un Período de 10 Años. Período Consumo (kWh) Gastos (CUP) Gastos (cuc) 1 Año 8954,78 11365,22 454,61 5 Años 44773,92 57930,10 2317,20 10 Años 89547,84 116136,19 4645,45

Es importante destacar que en este caso se parte de la inversión inicial para el despliegue de la WSN, pero esto solo es necesario una vez. Los costos que tendrá el sistema más adelante serán los de mantenimiento (sustitución de LEDs y/o luminarias y mantenimiento de los nodos cuando sea necesario). 4.4.7

Comparación entre los Tres Tipos de Sistema para la Zona Rural Itabo.

Una vez realizado el estudio energético y de gastos se puede realizar una comparación entre los resultados obtenidos para los tres sistemas. Esto permitirá conocer cuál de estos sistemas contribuye más al ahorro de electricidad y a brindar un mejor servicio de alumbrado público. Si se compara el consumo del sistema con lámparas VSAP, actualmente implementado, con un sistema que emplee las lámparas LED, disminuye el consumo de energía en un 64%. Pero si el sistema opera con lámparas LED en conjunto el sistema de control con WSN se obtiene una cifra de ahorro del 72,77%, lo cual representa aún más ahorro. En la figura 4.5 se pueden observar el consumo y el ahorro de kWh de los tres sistemas para el caso de estudio Zona Rural Itabo.

102

350000.00

328832.50

300000.00 239284.66

250000.00

210452.80

200000.00 150000.00

118379.70 89547.84

100000.00

50000.00 0.00 CONSUMO (KWH) Lámparas VSAP

Lámparas LED

AHORRO (KWH) Lámparas LED con WSN

Fig. 4.5 Comparación de Consumo generado en un período de 10 años.

Con respecto a los gastos, si el sistema emplea lámparas LED se obtiene reducción del 43,31%. Pero si el sistema funciona con lámparas LED y el sistema de control mediante WSN el ahorro es del 75,11% con respecto a las lámparas en uso actualmente. Los resultados se muestran en detalle en la figura 4.6: 500000.00 450000.00

466638.25

400000.00

350502.06

350000.00 300000.00

264520.11

250000.00

202118.14

200000.00 116136.19

150000.00 100000.00 50000.00 0.00

GASTOS SIST (CUP) Lámparas VSAP

Lámparas LED

AHORRO (CUP) Lámparas LED con WSN

Fig. 4.6 Comparación de Gastos y Ahorros generados en un período de 10 años.

103

4.5

Conclusiones del Capítulo.

Este capítulo ha sido dedicado al estudio del consumo eléctrico y económico en los dos casos de estudios: la Zona Urbana Vedado y la Zona Rural Itabo. En cada caso se ha analizado cómo se comportan estos parámetros para las lámparas VSAP (empleadas actualmente), para las lámparas LED y para las lámparas LED con el control mediante WSN. Los principales resultados obtenidos en el caso de la Zona Urbana Vedado en el estudio del consumo eléctrico son: para las lámparas VSAP un consumo de 350 047,5 kWh y la misma Red de Alumbrado pero con lámparas LED tiene un consumo menor con 133 654,5 kWh. Esto significa una disminución del consumo en un 61,82%. Pero si el área estuviera equipada con lámparas LED y control mediante WSN el consumo sería 101 102,4 kWh, mucho menor que en los dos casos anteriores. Este valor puede traducirse en una disminución del consumo en un 71,12 % con respecto a las lámparas de VSAP que se encuentran en uso actualmente. Después de analizar los gastos se obtuvo que: un sistema que emplea lámparas de VSAP en un período de 10 años presente gastos que ascienden a 454 785,75 CUP. Mientras que un sistema con lámparas LED tiene un gasto de 298 687,35 CUP, lo que representa un reducción del 34,32%. Pero si se utilizara un sistema con lámparas LED y control mediante WSN el gasto en 10 años sería de 131 157,12 CUP, que representa un ahorro de 71,16 % con respecto a las lámparas VSAP empleadas actualmente. Los principales resultados obtenidos en el caso de la Zona Rural Itabo en el estudio del consumo eléctrico son: con lámparas VSAP un consumo de 328 832,5 kWh y para lámparas LED un consumo de 118 379,7 kWh, este sistema disminuye en un 64% el consumo. Pero si se empleara lámparas LED con sistema de control WSN el consumo sería de 89 547,84 kWh, lo que representa un ahorro del 72,77% con respecto a las lámparas que se encuentran en uso actualmente. Después de analizar los gastos se obtuvo que: la Red de Alumbrado con lámparas VSAP tiene 466 638,25 CUP de gastos. Mientras que un sistema con lámparas LED tiene un gasto de 264 520,11 CUP, que representa una disminución del 43,31%. Pero si se contara con una Red de Alumbrado con lámparas LED y control WSN los gastos serían de 116 136,19 CUP,

104

que representaría una disminución de los gastos del 75,11% con respecto a las lámparas VSAP en uso actualmente. Es por ello que, los resultados de consumo obtenidos sugieren que la opción más eficiente y factible es el empleo de Lámparas LED con control mediante WSN, ya que la disminución del consumo es considerablemente baja. Razón por la cual se debe considerar su implementación como una ventaja, ya que este ahorro de kWh consumidos representa más ahorro de energía para el país, lo que significaría que para la generación de energía serían necesarios menos barriles de petróleo, por tanto un dinero que se puede emplear en nuevas inversiones que contribuyan al mejoramiento del país. Por otro lado, se observa la disminución de gastos que el Sistema con Lámparas LED y control mediante WSN representa para el Poder Popular, ya que este debe pagar menos por el servicio. Este hecho representa para el Poder Popular una disminución en sus gastos y un aumento de las utilidades, las cuales pueden emplearse para el mejoramiento del propio sistema. El sistema propuesto puede ser criticado por ser una inversión cara. Sin embargo, los precios ligeramente altos de las lámparas con los nodos WSN se ven compensados por la fiabilidad de los LED y por contar con un sistema de control que eficientemente reporte el estado de dichas lámparas, que permita actuar sobre el encendido o apagado de la luminaria que se desee, conocer exactamente donde se genera una avería sin tener que gastar recursos para moverse hasta el área. Todas estas ventajas hacen factible y eficiente la solución propuesta.

105

CONCLUSIONES

Con la realización de este Trabajo de Diploma se ha buscado aplicar gran parte de los conocimientos y destrezas adquiridos durante el

transcurso de la Ingeniería en

Telecomunicaciones y Electrónica de forma que quedaran reflejados en el desarrollo del documento. El objetivo ha sido diseñar y simular una red WSN para el monitoreo de los factores del entorno que influyan en el funcionamiento de la red de alumbrado público, así como el diseño de la plataforma de gestión remota para este Sistema. Para ello, durante el desarrollo de este trabajo, se definieron los posibles escenarios de despliegue de una red WSN: el entorno urbano, suburbano y rural, partiendo de las características que presenta el alumbrado público. Se realizó un análisis de las formas de control del alumbrado público que en conjunto con los escenarios definidos, permitió establecer todas las posibles variantes de despliegue. Mediante empleo de matrices de ponderación de criterios se pudieron establecer las variantes óptimas de despliegue WSN para cada escenario. Esto arrojó como resultado en todos los escenarios que el despliegue de una WSN para el Control Individual del Alumbrado Público es la variante óptima al ofrecer un mejor equilibrio entre los criterios de costo de la solución y nivel de control. Otro resultado lo constituye el diseño de la red WSN para los dos casos de estudio propuestos: la Zona Urbana Vedado y la Zona Rural Itabo. La red se diseñó de manera que los nodos puedan comunicarse entre ellos, medir el consumo de energía de la lámparas, actuar sobre el encendido, apagado e intensidad de estas y guardar la información en una base de datos externa para visualizarla desde un Sistema de Gestión. Se realizó la simulación en Omnet++ de una de las redes propuestas para constatar el correcto funcionamiento de los nodos, la cual aportó como resultados: que es posible

106

escalar la red y extenderla por toda una ciudad, ya que mediante el protocolo AODV que emplea la red es posible transmitir los datos recogidos en los nodos y hacerlos llegar hasta el coordinador, a través de los nodos vecinos en la red. Por otra parte se demostró que la red puede continuar funcionando aunque los nodos fallen ya que es capaz de trazar otro camino hasta el coordinador. Se presentó el diseño de una Plataforma de Gestión Web que brinda en sus diferentes páginas toda la información recogida sobre las lámparas monitoreadas por los nodos y permite además actuar sobre la lámpara deseada variando su estado o cambiando su horario de funcionamiento. Por otra parte se comprobó el correcto funcionamiento de la plataforma con un nodo de la red. Finalmente se ha realizado un estudio económico para la Zona Urbana Vedado y la Zona Rural Itabo, donde se llevó a cabo una comparación del consumo y el ahorro del sistema con las lámparas actuales, el sistema con lámparas LED y el sistema con lámparas LED trabajando en conjunto con la red WSN propuesta. En ambos estudios realizados los resultados obtenidos apuntan a que el Sistema de Alumbrado con Lámparas LED y control mediante WSN genera un ahorro considerable de consumo y de gastos. Por tanto, puede decirse que la solución propuesta es factible desde el punto de vista económico pero además ofrece la posibilidad de contar con un sistema de alumbrado eficiente, capaz de mostrar en tiempo real el estado de todas las lámparas, generar alarmas ante averías y actuar sobre las luminarias de forma remota haciendo uso de la tecnología inalámbrica ZigBee. Con la obtención de los resultados anteriormente descritos podemos concluir que los objetivos propuestos inicialmente en el trabajo han sido cumplidos satisfactoriamente.

107

RECOMENDACIONES

La idea iniciada en este proyecto deja abierta muchas posibilidades de mejoras para lograr un Sistema de Alumbrado Público Inteligente en el futuro. Algunas de las posibilidades son: 

Realizar un estudio del mercado de las luminarias más profundo, en el que se analicen más fabricantes y variedades de lámparas.



Hacer pruebas de campo con los dispositivos físicos en los entornos más ruidosos.



Obtención de otras variables ambientales más detalladas, como pueden ser: temperatura y humedad relativa, la calidad del aire, detectar incendios, vibraciones, etc.



Realizar un estudio para alimentar las lámparas y los nodos inalámbricos por medio de paneles solares para lograr un sistema aún más eficiente.



Continuar implementando nuevas funcionalidades en la Plataforma de Gestión como por ejemplo: o Notificación de alarmas mediante correo electrónico o vía SMS. o Sistema de registro de eventos por usuarios. o Páginas de estadísticas (para el consumo o para determinar las calles más transitadas de la ciudad, por ejemplo).

108

GLOSARIO

AC: Corriente Alterna. AODV: Ad-hoc On Demand Distance Vector o Vector de Distancia Bajo Demanda Adhoc. Es un protocolo de enrutamiento para redes móviles ad hoc (MANET) y otras redes inalámbricas ad hoc. Banda

ISM:

Industrial,

Scientific

and

Medical.

Son

bandas

reservadas

internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética en áreas industrial, científica y médica. BQPSK: Binary Phase Shift Keying o Modulación Binaria Por Desplazamiento De Fase.

CBR: Constant Bit Rate o Bitrate Constante. CCA: Clear Channel Assessment o Evaluación de Canal Libre. Es una función lógica encontrada dentro de las capas físicas que determina el estado actual del uso de un medio inalámbrico. CSMA-CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance o Acceso Múltiple Con Escucha De Portadora y Evasión De Colisiones. Es un protocolo de control de acceso a redes de bajo nivel que permite que múltiples estaciones utilicen un mismo medio de transmisión. DC: Corriente Directa.

DSN: Deep Space Networkred o Red del Espacio Profundo. DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum o Espectro Ensanchado Por Secuencia Directa. FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum o Espectro Ensanchado Por Salto De Frecuencia.

109

FIFO: First in, first out o primero en entrar, primero en salir. Es un concepto utilizado en estructuras de datos, contabilidad de costes y teoría de colas. FPGA: Field Programmable Gate Array. Dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser configurada 'in situ' mediante un lenguaje de descripción especializado. ICSP: In-Circuito Serial Programming o Programación Serial En Circuito. Es una tecnología incluida en todos los microcontroladores PIC de Microchip más recientes y posibilita la reprogramación de los mismos sin que sea necesaria la remoción de éstos de su circuito de aplicación. IEEE: The Institute of Electrical and Electronics Engineers

LAN: Local Area Network o Red de Área Local.

LED: Light-Emitting Diode o Diodo Emisor De Luz. MAC: Media Access Control o Control de Acceso al Medio. Se emplean en la familia de estándares IEEE 802 para definir la subcapa de control de acceso al medio. MIT: Massachusetts Institute of Technology.

NED: Network Description Language o Lenguaje de Descripción de Red. O-QPSK: Llamada QPSK con corrimiento, QPSK compensada,QPSK desplazada y, a veces, SQPSK (sigla de Staggered quadrature phase-shift keying. Es una modulación por desplazamiento de fase en cuadratura escalonada) en la cual las formas de onda I y Q se desplazan entre sí en la mitad de un tiempo de bit. Para lograr esto, se introduce en el canal en cuadratura Q un dispositivo que introduzca el retardo ya mencionado. PAN: Personal Area Network o Red de Área Personal.

PHY: Physical o Física.

110

PWM: Pulse Width Modulation o Modulación por Ancho de Pulso. Es una técnica para obtener resultados análogos con medios digitales. RAM: Random Access Memory o Memoria de Acceso Aleatorio.

RF: Radio Frecuencia. Sensor PIR: Sensor infrarrojo pasivo un sensor electrónico que mide la luz infrarroja (IR) radiada de los objetos situados en su campo de visión. Se utilizan principalmente en los detectores de movimiento basados en PIR. TCP/IP: Conjunto o familia de protocolos desarrollados para permitir a computadoras compartir recursos a través de una red. UART:

Universal

Asynchronous

Receiver-Transmitter

o

Transmisor-Receptor

Asíncrono Universal, es el dispositivo que controla los puertos y dispositivos serie. USB: Universal Serial Bus o Bus Universal en Serie.

VSAP: Vapor de Sodio de Alta Presión. VSM: Virtual System Modelling o Modelado de Sistemas Digitales. Es un completo simulador para esquemas electrónicos que contienen microprocesador. WSN: Wireless Sensor Network. Red formada por sensores inalámbricos. WWW: World Wide Web o Red Informática Mundial. Sistema lógico de acceso y búsqueda de la información disponible en Internet, cuyas unidades informativas son las páginas web. ZigBee: Estándar de comunicación inalámbrico, utilizado mayoritariamente por equipos de bajo consumo como las motas descritas en este trabajo.

111

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123

ANEXOS Índice Anexo A “Desarrollo Industrial de las Redes de Sensores Inalámbricos en los últimos años”. 2

Anexo B “Comparativa de las principales características de los dispositivos inalámbricos”. .. 3 Anexo C “Tecnologías de Comunicación”. .............................................................................. 4 Anexo D “Requerimientos para el Alumbrado Público” ........................................................... 8 Anexo E “Características Técnicas de Xbee Pro Serie 2” ..................................................... 12 Anexo F “Instalación de aplicaciones necesarias para la Plataforma de Gestión” ................. 15 Anexo G “Plataforma de Gestión” ......................................................................................... 29 Anexo H “Módulo de Procesamiento: Arduino Uno” .............................................................. 38

1

ANEXO A “Desarrollo Industrial de las Redes de Sensores Inalámbricos en los últimos años”.

Fig. A.1 Puntos de detección inalámbricos en la industria a nivel global.

Fig. A.2 Crecimiento de los ingresos de WSN en todas las industrias.

2

ANEXO B “Comparativa de las principales características de los dispositivos inalámbricos”.

TABLA B.1 Características de dispositivos inalámbricos. CC1000

CC1021

CC2420

TR1000

XE1205

MANUFACTURER

Chipcon

Chipcon

Chipcon

RFM

Semtech

OPERATING

300-1000

402-470/

2400

916

433 / 868

FRECUENCY

840-940

/ 915

[MHZ] BIT RATE [KBPS]

76.8

153.6

250

115.2

1.2 – 152.3

POWER SUPPLY

2.1-3.6 (typ.

2.3-

2.1-

2.2-

3.0)

3.6(typ.3.0)

3.6(int.1.8)

3.7(typ.

2.4-3.6

3.0)

TABLA B.2 CARACTERÍSTICAS DE DISPOSITIVOS INALÁMBRICOS II. CC1000 CC1021 CC2420 SLEEP MODE

0.2-1(osc. Core

1.8 (core

[𝝁𝑨]

off)

off)

1

STANDBY

426 (Voltage

MODE [𝝁𝑨]

and osc.

TR1000

XE1205

0.7

0.2

850

running) RX [𝒎𝑨]

9.3

19.9

19.7

(433MHz)/11.8

3.8 (115.2

14

kbps)

(868 MHz) TX MIN[𝒎𝑨]

8.6 (-20dBm)

14.5 (-

8.5 (-25dBm)

33

20dBm) TX MAX [𝒎𝑨]

25.4 (+5dBm)

25.1(+5dB m)

(+5dBm) 17.4 (0 dBm)

12

62

(+1.5dBm)

(+15dBm )

3

ANEXO C “Tecnologías de Comunicación”.

Fig. C.1 Arquitectura Zigbee

4

Fig. C.2 Frecuencias de funcionamiento y bandas.

Fig. C.3 Modos Operacionales de IEEE 802.15.4.

Fig. C.4 Modelo de referencia de la Capa de Red.

5

ZigBee Bluetooth

Tabla C.1 Consumo de Zigbee vs Bluetooth. Transmisión Recepción 24 mA 27 mA 57 mA 47 mA

En reposo 30 𝜇A 0.2 mA

Fig. C.5 Solapamiento de los Canales de Wi-Fi y ZigBee.

Fig. C.6 Resumen de los principales simuladores.

6

7

Fig. C.7 Aplicaciones de las WSN para una ciudad.

ANEXO D “Requerimientos para el Alumbrado Público”.

Tabla D.1 Niveles de Alumbrado. Clasificación según el uso nocturno hecho por los peatones

Calles en zonas privilegiadas (áreas comerciales, de ocio...) Calles de uso alto Calles de uso moderado Calles de uso menor. Solamente asociado a propiedades adyacentes Calles de uso menor donde sea importante preservar el carácter de ambiente rural o la arquitectura Calles de uso muy bajo donde sea importante preservar el carácter de ambiente rural o la arquitectura Calles donde sólo es necesario el guiado visual

Categoría

Nivel medio iluminancia Em (lux)

P1

20

Nivel mínimo iluminancia Emin (lux) 7.5

P2 P3 P4

10 7.5 5.0

3.0 1.5 1.0

P5

3.0

0.6

P6

1.5

0.2

P7

-

-

“Características técnicas de las lámparas de vapor de sodio y de las lámparas LED”.

Tabla D.2. Características técnicas de VSAP vs LED. Vapor de Sodio de Baja Presión Vapor de Sodio de Alta Presión 18‐180 W 50‐10.000 W 180 lm/W 100 lm/W 1.800‐32.000lm 3.500 y 130.000 lm 2.000 K 2300 K 0 25 Amarillo anaranjado Amarillo dorado Discontínuo

Discontínuo

Tiempo de encendido

Entre 5‐10 minutos

300

LED Variable 100‐150 lm/W 170‐3.600 lm 2.700‐5.000 K < 90 Multicolor Infrarrojo, visible y ultravioleta Instantáneo

Tiempo de reencendido

Entre 5‐10 minutos

600

Instantáneo

Tiempo de vida media Tiempo de vida útil Tamaño Posición de funcionamiento

15.000 horas 6.000‐8.000 horas Grande

20.000 horas 8.000‐12.000 horas Grande

50.000 horas 50.000‐100.000 horas Reducido

Universal

Universal

Universal

Características Técnicas Potencias nominales Eficacia Flujo luminoso Temperatura de color IRC Tono Espectro de emisión

8

Tabla D.3. Características técnicas las lámparas LED. Equivalentes disponibles en el Mercado para VSAP 150 W – LED 30W

MODELO Precio (usd) LED QTY

Potencia de Voltaje de Entrada entrada

PF

AC85-265V

LX-S830 30W

150

Flujo luminoso

Temp de trabajo (C)

27003000LM

‐40 ‐ 50

1X 30 pcs

34W±1W / 277V /

>0.96

DC10-28V

Humedad

-10~90%rh

MODELO Precio (usd) LED QTY

Tiempo de Vida (horas)

Garantía (años)

Fabricante

50000

3

Shenzhen Lux Lighting Co.,Ltd.

Potencia de Voltaje de Entrada entrada

PF

LX-SL24S30W

120

24 pcs

30W

AC85-265V / 347V / DC10-28V

>0.95

Flujo luminoso

Temp de trabajo (C)

Humedad

Tiempo de Vida (horas)

Garantía (años)

Fabricante

3000LM

‐40 ‐ 50

-10~95%rh

50000

3

Shenzhen Lux Lighting Co.,Ltd.

Equivalentes disponibles en el Mercado para VSAP 150 W – LED 40W

MODELO Precio (usd) LED QTY

Potencia de Voltaje de Entrada entrada

PF

LX-SL47040W

60

40 pcs

45W±1W

AC85-265V / 277V / DC10-28V

>0.95

Flujo luminoso

Temp de trabajo (C)

Humedad

Tiempo de Vida (horas)

Garantía (años)

Fabricante

36004000LM

‐40 ‐ 50

-10~90%rh

50000

3

Shenzhen Lux Lighting Co.,Ltd.

9

MODELO Precio (usd) LED QTY

Potencia de Voltaje de Entrada entrada

PF

LX-SL65040W

165

1 light source

45W ± 1

AC90-295V /DC10-28V

>0.95

Flujo luminoso

Temp de trabajo (C)

Humedad

Tiempo de Vida (horas)

Garantía (años)

Fabricante

36004000LM

‐40 ‐ 50

-10~90%rh

50000

3

Shenzhen Lux Lighting Co.,Ltd.

Equivalentes disponibles en el Mercado para VSAP 150 W – LED 50W

Potencia de Voltaje de Entrada entrada DC1040 pcs 55W±1W 28V/AC85265V Tiempo de Garantía Vida Humedad (años) (horas)

MODELO Precio (usd) LED QTY LX-SL24C50W

100

Flujo luminoso

Temp de trabajo (C)

5000LM

‐40 ‐ 50

-10~90%rh

50000

3

PF >0.95

Fabricante Shenzhen Lux Lighting Co.,Ltd.

Equivalentes disponibles en el Mercado para VSAP 250 W – LED 60W

MODELO Precio (usd) LED QTY

Potencia de Voltaje de Entrada entrada

LX-SL83060W

150

67W±1W

Flujo luminoso

Temp de trabajo (C)

54006000LM

‐40 ‐ 50

2 X 30 pcs

PF

AC85-265V / 277V / DC10-28V

>0.96

Humedad

Tiempo de Vida (horas)

Garantía (años)

Fabricante

-10~90%rh

50000

3

Shenzhen Lux Lighting Co.,Ltd.

10

Equivalentes disponibles en el Mercado para VSAP 250 W – LED 70W

MODELO Precio (usd) LED QTY

Potencia de Voltaje de Entrada entrada

PF

LX-SL65070W

165

1 light source

78W ± 1

AC85-265V /DC8-30V

>0.95

Flujo luminoso

Temp de trabajo (C)

Humedad

Tiempo de Vida (horas)

Garantía (años)

Fabricante

6300 7000LM

‐40 ‐ 50

-10~90%rh

50000

3

Shenzhen Lux Lighting Co.,Ltd.

Equivalentes disponibles en el Mercado para VSAP 250 W – LED 90W

Potencia de Voltaje de Entrada entrada AC18080 SMD LED 80-120W 264V Tiempo de Temp de Garantía Vida Humedad (años) trabajo (C) (horas)

MODELO Precio (usd) LED QTY YES-LU90A Flujo luminoso

‐40 ‐ 50

-10~90%rh

30000

3

≥8400 lm

Potencia de Voltaje de Entrada entrada AC100277V / 24 pcs 100 - 277W DC10-30V Tiempo de Garantía Vida Humedad (años) (horas)

MODELO Precio (usd) LED QTY LD3CI90W

135

Flujo luminoso

Temp de trabajo (C)

9000

‐40 ‐ 50

-10~90%rh

50000

5

PF >0.9 Fabricante YES TECH Optoelectric Industrial Park

PF 100

Fabricante Shenzhen Lux Lighting Co.,Ltd.

11

ANEXO E “Características Técnicas de Xbee Pro Serie 2”.

Características Mecánicas y Distribución de Pines. La distribución de los pines de los Módulos de Radiofrecuencia XBee y XBee-PRO son compatibles entres si, tal y como se muestran en las siguientes imágenes:

Figura E.1. Distribución de pines y medidas de Xbee Pro.

12

La distribución de los pines se muestra a continuación: Tabla E.1. Pin out de Xbee Pro.

Consideraciones para la Selección de canales. De los 16 canales disponibles de acuerdo con el protocolo IEEE 802.15.4, los canales que se asignan van desde el 11 hasta el 26. Para calcular la frecuencia central se utiliza la siguiente fórmula: 𝑪𝒂𝒏𝒂𝒍 = 2.405 + (𝐶𝐻 − 11) ∗ 0.005

[𝐺𝐻𝑧]

(E.1)

Donde CH equivale al número del canal entre 11 y 26. La Frecuencia de Canales y su respectivo comando AT se muestran en la siguiente figura:

13

Tabla E.2. Comandos AT para la selección del canal.

14

ANEXO F “Instalación de aplicaciones necesarias para la Plataforma de Gestión”. Instalar XAMPP en Windows. Nota: Antes de instalar un servidor de páginas web es conveniente comprobar si no hay ya uno instalado. Para ello, es suficiente con abrir el navegador y escribir la dirección http://localhost. Si no se obtiene un mensaje de error es que hay algún servidor de páginas web instalado.

Fig. F.1 Forma de conocer si XAMPP está instalado.

Una vez obtenido el archivo de instalación de XAMPP, hay que hacer doble clic sobre él para ponerlo en marcha. Las imágenes que se muestran a continuación corresponden a la instalación de XAMPP 3.2.1.0 en Windows. El cual, incluye: Apache 2.4.4, MySQL 5.5.32 (Community Server), PHP 5.5.15 (VC11 X86 32bit thread safe) + PEAR, phpMyAdmin 4.0.4, OpenSSL 1.0.1e, ADOdb 5.18, Mercury Mail Transport System v4.62 (not included in the portable version), FileZilla FTP Server 0.9.41 (not included in the portable version), Webalizer 2.23-04 (not included in the portable version), Strawberry Perl 5.16.1.1 Portable, Tomcat 7.0.41, XAMPP Control Panel Version 3.2.1. Al poner en marcha el instalador XAMPP se muestran dos avisos: 

El primero aparece si en el ordenador hay instalado un antivirus:

15

Fig. F.2 Aviso de Antivirus. 

El segundo aparece si está activado el Control de Cuentas de Usuario y recuerda que algunos directorios tienen permisos restringidos:

Fig. F.3 Permisos.

A continuación se inicia el asistente de instalación. Para continuar, hay que hacer clic en el botón "Next".

Fig. F.4 Proceso de Instalación XAMPP.

Los componentes mínimos que instala XAMPP son el servidor Apache y el lenguaje PHP, pero XAMPP también instala otros elementos. En la pantalla de selección de componentes puede elegirse la instalación o no de estos componentes. Para esta este caso se necesita al menos instalar MySQL y phpMyAdmin.

16

Fig. F.5 Seleccionar componentes.

En la siguiente pantalla se puede elegir la carpeta de instalación de XAMPP. La carpeta de instalación predeterminada es C:\xampp. Si se quiere cambiar, hay que hacer clic en el icono de carpeta y seleccionar la carpeta donde se quiere instalar XAMPP. Para continuar la configuración de la instalación, hay que hacer clic en el botón "Next".

Fig. F.6 Ubicación de XAMPP.

La siguiente pantalla frece información sobre los instaladores de aplicaciones para XAMPP creados por Bitnami. Para que no se abra la página web de Bitnami, habría que desmarcar la casilla correspondiente.

17

Fig. F.6 Desmarcar opción.

Para empezar la instalación de XAMPP, hay que hacer clic en el botón "Next" en la pantalla siguiente.

Fig. F.7 Proceso de Instalación XAMPP.

A continuación, se inicia el proceso de copia de archivos, que puede durar unos minutos.

18

Fig. F.8 Progreso de la instalación.

Una vez terminada la copia de archivos, se muestra la pantalla que confirma que XAMPP ha sido instalado. Hay que hacer clic en el botón "Finish". Para no abrir a continuación el panel de control de XAMPP habría que desmarcar la casilla correspondiente.

Fig. F.9 Desmarcar opción.

El Panel de Control de XAMPP. Abrir y cerrar el panel de control. Al panel de control de XAMPP se puede acceder mediante el menú de inicio "Todos los programas > XAMPP > XAMPP Control Panel" o, si ya está iniciado, mediante el icono del área de notificación.

19

El panel de control de XAMPP se divide en tres zonas: 

 

la zona de módulos, que indica para cada uno de los módulos de XAMPP: si está instalado como servicio, su nombre, el identificador de proceso, el puerto utilizado e incluye unos botones para iniciar y detener los procesos, administrarlos, editar los archivos de configuración y abrir los archivos de registro de actividad. la zona de notificación, en la que XAMPP informa del éxito o fracaso de las acciones realizadas la zona de utilidades, para acceder rápidamente

Fig. F.10 Panel de Control XAMPP.

Para cerrar el panel de control de XAMPP hay que hacer clic en el botón Quit (al cerrar el panel de control no se detienen los servidores):

Fig. F.11 Panel de Control XAMPP.

20

El botón Cerrar en forma de aspa no cierra realmente el panel de control, sólo lo minimiza:

Fig. F.12 Panel de Control XAMPP.

Si se ha minimizado el panel de control de XAMPP, se puede volver a mostrar haciendo doble clic en el icono de XAMPP del área de notificación.

Fig. F.13 Panel de Control XAMPP minimizado.

Haciendo clic derecho en el icono de XAMPP del área de notificación se muestra un menú que permite mostrar u ocultar el panel de control, arrancar o detener servidores o cerrar el panel de control.

Fig. F.14 Opciones desde el panel minimizado.

El cortafuegos de Windows.

21

Cuando se pone en marcha por primera vez cualquiera de los servidores que instala XAMPP, el cortafuego de Windows pide al usuario confirmación de la autorización. Por ejemplo, la primera vez que se pone en marcha Apache mediante el botón Start correspondiente...

Fig. F.15 Panel de Control XAMPP.

... como Apache abre puertos en el ordenador (por primera vez), el cortafuegos de Windows pide al usuario confirmación. Para poder utilizarlo hace falta al menos autorizar el acceso en redes privadas:

Fig. F.16 Alerta del Cortafuegos.

Si el arranque de Apache tiene éxito, el panel de control mostrará el nombre del módulo con fondo verde, su identificador de proceso, los puertos abiertos (http y https), el botón

22

"Start" se convertirá en el botón "Stop" y en la zona de notificación se verá el resultado de las operaciones realizadas.

Fig. F.17 Iniciar Apache.

Iniciar, detener y reiniciar servidores. A veces es necesario detener y reiniciar los servidores. Por ejemplo, los archivos de configuración de Apache se cargan al iniciar Apache. Si se modifica un archivo de configuración de Apache (httpd.conf, php.ini u otro) mientras Apache está en marcha, para recargar los archivos de configuración es necesario detener y reiniciar el servidor Apache. Nota: Si al modificar el archivo de configuración se han introducido errores, el servidor no será capaz de iniciarse. Si no se sabe cómo encontrar el origen del problema, se recomienda restaurar los archivos de configuración originales, de los que se aconseja tener una copia de seguridad. Para poner en funcionamiento Apache (u otro servidor), hay que hacer clic en el botón "Start" correspondiente:

23

Fig. F.18 Iniciar Servicio.

Si el arranque de Apache tiene éxito, el panel de control mostrará el nombre del módulo con fondo verde, su identificador de proceso, los puertos abiertos (http y https), el botón "Start" se convertirá en un botón "Stop" y en la zona de notificación se verá el resultado de las operaciones realizadas.

Fig. F.19 Funcionamiento del Servicio.

Para detener Apache hay que hacer clic en el botón "Stop" correspondiente a Apache.

24

Fig. F.20 Detener Apache.

Si la parada de Apache tiene éxito, el panel de control mostrará el nombre del módulo con fondo gris, sin identificador de proceso ni puertos abiertos (http y https), el botón "Stop" se convertirá en un botón "Start" y en la zona de notificación se verá el resultado de las operaciones realizadas.

Fig. F.21 Servicio detenido.

Para reiniciar de nuevo Apache habría que volver a hace clic en el botón "Start" correspondiente a Apache.

25

El panel de administración web de XAMPP. Si se ha iniciado el servidor Apache, para comprobar que todo funciona correctamente, hay que escribir en el navegador la dirección http://localhost. Al abrir la página por primera vez, XAMPP pedirá seleccionar el idioma:

Fig. F.22 Cambiar el idioma.

Una vez elegido el idioma, se mostrará el panel de administración web de XAMPP:

Fig. F.23 Panel de Administración XAMPP.

26

Pasos para Crear la Base de Datos. El primer paso necesario es crear una base de datos, para ello con el XAMPP ejecutado abrimos el navegador y accedemos a http://localhost/phpmyadmin/. Presionamos sobre base de datos (en inglés Database) como se muestra en la figura de a continuación. Luego en la caja de texto que aparece se escribe el nombre de la base de datos que lo que se puede observar en la anterior tabla 1.00 y se presiona crear (en inglés Create). Todos estos pasos se pueden observar en la figura que se muestra a continuación:

Fig. F.24 Crear la base de datos.

Luego de crear la base de datos es necesario agregar el usuario que se encargará de manejarla. Para ello, se debe acceder al menú Usuarios y en la parte inferior de la página presionar agregar usuario.

Fig. F.25 Agregar usuario.

27

Después de crear el usuario se deben establecer los permisos que este tendrá sobre la base de datos creada. Para ello es necesario ir a la página Usuarios y seleccionar la opción Editar Privilegios. En la pantalla Privilegios Específicos para Base de Datos seleccionar wsn_sapi. Finalmente se seleccionan todos los privilegios y presionar el botón Continuar, tal y como se muestra en las figuras.

Fig. F.26 Establecer permisos de usuario.

Como último paso en el montaje de la Base de Datos queda importar la Base de Datos. Seleccionar la base de datos wsn_sapi y luego la opción Importar. En la página Importando en la base de datos wsn_sapi, elegir la opción Buscar en su ordenador y seleccionar wsn_sapi.sql. De esta manera la base de datos creada contendrá la estructura necesaria el funcionamiento del Sistema de Gestión.

28

ANEXO G “Plataforma de Gestión”. Las páginas que contiene la Plataforma de Gestión se muestran a continuación:

Fig. G.1 Control de Acceso al Sistema.

Fig. G.2 Inicio del Sistema con información de alarmas y consumo diario por provincias o municipios.

29

Fig. G.3 Información de las lámparas de un municipio agrupadas por circuitos.

30

Fig. G.4 Parte superior de la página de información de una lámpara.

Fig. G.5 Parte inferior de la página de información de una lámpara.

31

Fig. G.6 Página para Registrar Lámparas.

Fig. G.7 Página de configuración del sistema inteligente.

32

Fig. G.8 Página de seguridad.

Tabla G.1. Funciones de la Plataforma. Nombre login

Parámetro Usuario, passwd

Resultado verdadero, falso

is_login

Session (datos del usuario)

verdadero, falso

lamp_encendidas

Un número

pot_lamp

zona (municipio, provincia,circuito) zona (municipio, provincia,circuito) Id (id de lampara)

hay_lamp_nuevas

-

Un arreglo de datos

datos_lampara

Id (id de lampara)

Un arreglo de datos

registrar_alerta

Lamp (arreglo con los datos de la lampara)

verdadero / falso

lamp_apagadas

Un número Un arreglo de datos

Descripción Autentica a al usuario en la plataforma Verifica si existe un usuario autenticado o no en la plataforma Obtiene el número de lámparas encendidas Obtiene el número de lámparas apagadas Obtiene un listado de datos de una lámpara con relación entre fecha y consumo Obtiene un listado de lámparas que no poseen información de ubicación Obtiene toda la información de una lámpara Guarda en la base de datos una alerta relacionada con la lámpara dada

33

apagar_lampara

Ip (dirección del nodo)

verdadero / falso

ver_alertas

-

Un arreglo de datos

lamp_de_dia

-

verdadero / falso

encender_lampara

Ip (dirección del nodo)

verdadero / falso

ver_controles

-

registrar_lamp

Datos (todos los datos necesarios para el registro) Datos (rango de horario deseado para el sistema)

Un arreglo de datos verdadero / falso

actualizar_si

verdadero / falso

modelo_lampara

Datos (modelo de la lampara)

Un arreglo de datos

control_en_texto

Id (id del control)

nombre

horas_de_trabajo

Id (id de lampara)

Horas de trabajo

lampara_por_ip

Ip (dirección del nodo)

Un numero

registrar_consumo

Id (id de lampara) Valor (consumo)

verdadero / falso

lamp_por_circuito

Un arreglo de datos

recibir_datos

circuito (numero) zona (municipio, provincia,circuito) -

enviar_datos

Datos(tipo y valor)

-

recibir_cada_5

-

-

-

Envía información al nodo para que baje la intensidad a 0 Obtiene todas las alertas del sistema registradas en el sistema Crea alertas de las lámparas encendidas en horario de la mañana. Envía información al nodo para que baje la intensidad a 100 Obtiene el nombre e id de los controles. Guarda en la base de datos la información de la lámpara Guarda en la base de datos los rangos de horarios para intensidad media y baje cuando la lámpara está en sistema inteligente, Obtiene todos los datos referentes a un modelo de lámpara. Obtiene el nombre del control a partir del id Obtiene la cantidad de horas de trabajo de una lámpara dada. Obtiene el id de una lámpara a partir de una ip dada Guarda en la base de datos la información del consumo de una lámpara Obtiene todas las lámparas de un circuito determinado Recibe, procesa y almacena los datos que llegan por Puerto serie Envía al nodo datos de definidos por tipo y valor. Se ejecuta cada 5min y obtiene la información 34

enviada por los nodos de la red.

Código desarrollado en php para las Funcionalidades de la

Plataforma de

Gestión.