“diseÑo de una arquitectura distribuida con la …

DÉCIMA COMPETENCIA DE PROYECTOS ACADÉMICOS

Facultad de Ingeniería Industrial

Universidad de Guayaquil 29 de septiembre al 1 de octubre del 2020

VIII Jornadas de Ciencia, Tecnología y Sociedad

Décima Competencia de Proyectos Académicos

http://www.fi.ug.edu.ec/

https://gifii.wordpress.com/

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“DISEÑO DE UNA ARQUITECTURA DISTRIBUIDA CON LA INTEGRACIÓN DE

UN SISTEMA DE GESTIÓN Y CONTROL DE LA SUFICIENCIA DE ENERGÍA EN

LAS VIVIENDAS”.

CEDEÑO JALMAR, MACIAS DARÍO, SIGUENCIA LADY, GAVILANES YULEXI.

Carrera de Sistemas, Facultad de Industrial, Universidad de Guayaquil.

Email de contacto: [email protected]

Resumen.

El rápido desarrollo de las tecnologías digitales ha contribuido a que las viviendas

adopten cada vez más estrategias de automatización sofisticadas para el control de las

variables ambientales presentes en las diferentes partes del hogar, provisto de elevadas

prestaciones desde el punto de vista tanto del confort humano como en los aspectos

energético y ambiental.

Uno de los problemas presentados en la investigación es el ineficiente consumo de

energía eléctrica de las viviendas, el desconocimiento o la falta de normas y criterios de

diseño, debido a esto, cualquier ahorro de energía que se consiga evitando esos desperdicios

sería muy beneficioso, tanto en el ámbito económico como en el medio ambiental.

La incorporación de dispositivos de internet de las cosas (IoT) en los sistemas de

generación de energía (SGEn) tradicionales surge de una evolución natural de las nuevas

tecnologías de la información. Dichas estrategias de control pueden expresarse mediante

reglas que podrán ser ingresadas en el motor de inferencias de un sistema experto. Las reglas

de automatización presentes en este sistema permitirán una mejor integración de dispositivos

y facilitará su interacción con los elementos que definen las prestaciones de un hogar

inteligente.

Palabras Claves. Energía Eléctrica, Consumo De Energía, Diseño Arquitectónico.

1. INTRODUCCIÓN

En los tópicos sobre gestión de la energía, las viviendas se destacan por presentar las

mayores oportunidades para la mejora de la eficiencia energética ya que el 75% de la

electricidad es consumida por los aparatos que están apagados y quedan en espera. Se trata de

elementos que parecen apagados pero que siguen utilizando y desperdiciando la energía. En

un hogar promedio puede haber entre 10 y 15 aparatos en stand by que realizan un consumo

ininterrumpido e inútil de energía.

Se han planteado diferentes soluciones para reducir la demanda de energía dentro de los

hogares. Todos concluyen en la necesidad de proveer de “inteligencia” a las viviendas, lo que

significa que se deben integrar todos los sistemas para gestionar los recursos de manera

coordinada con el fin de maximizar el rendimiento técnico, la eficiencia energética, el ahorro

mailto:[email protected]








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en los costos operativos y la flexibilidad. Uno de los componentes críticos para manejar la

demanda de energía en los edificios inteligentes es el sistema de gestión de la energía en los

hogares (SGEn).

Un SGEn es una plataforma que se emplea para gestionar cargas y aumentar la

eficiencia, teniendo así la capacidad de reducir la energía necesaria para iluminar, calentar,

enfriar y ventilar un hogar inteligente. Un SGEn interactúa con el hardware de control en los

diversos sistemas mecánicos o eléctricos para monitorear y modular en tiempo real la energía

utilizada; normalmente, se utiliza para implementar estrategias de respuesta a la demanda y el

sistema de control en las viviendas con una infraestructura basada en Red doméstica. La

convergencia tecnológica en lo que se refiere a la gestión de viviendas se está acelerando con

el creciente y despliegue de dispositivos.

Dada la disponibilidad de una infraestructura de red wifi extendida en el hogar, se

desarrolla una API en una plataforma de desarrollo como lo es “RabbitMQ” y un gestor de

base de Datos “NOSQL” que pueda procesar toda la información recolectada del consumo de

energía en el hogar, mediante sensores de corrientes inalámbricos tales como: “Sensor Hall,

ACS712 de Microsystems Inc

2. METODOLOGÍA

2.1 PLATAFORMA DE DESARROLLO

RabbitMQ es un software de encolado de mensajes llamado bróker de mensajería o

gestor de colas. Dicho de forma simple, es un software donde se pueden definir colas, las

aplicaciones se pueden conectar a dichas colas y transferir/leer mensajes en ellas. Sus

características principales son: Garantía de entrega, Enrutamiento flexible, Clusterización,

Federación, Alta disponibilidad y Tolerancia a fallos

Los mensajes no se publican directamente en una cola, en lugar de eso, el productor envía

mensajes a un exchange. Los exchanges son agentes de enrutamiento de mensajes, definidos

por virtual host dentro de RabbitMQ.

http://blog.bi-geek.com/broker-mensajeria/








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2.2 Python

Es un lenguaje de programación versátil multiplataforma y multiparadigma que se

destaca por su código legible y limpio. Una de las razones de su éxito es que cuenta con una

licencia de código abierto que permite su utilización en cualquier escenario. Esto hace que

sea uno de los lenguajes de iniciación de muchos programadores siendo impartido en

escuelas y universidades de todo el mundo. Sumado a esto cuenta con grandes compañías que

hacen de este un uso intensivo. (OpenWebinars, 2019)

2.3 Bases de datos NoSQL (MONGODB Atlas)

MongoDB es una base de datos orientada a documentos. Esto quiere decir que en

lugar de guardar los datos en registros, guarda los datos en documentos. Estos documentos

son almacenados en BSON, que es una representación binaria de JSON.

Una de las diferencias más importantes con respecto a las bases de datos relacionales,

es que no es necesario seguir un esquema. Los documentos de una misma colección -

concepto similar a una tabla de una base de datos relacional -, pueden tener esquemas

diferentes.

2.4 Visual Studio Code.

Es un editor de programación multiplataforma desarrollado por Microsoft. Es un

proyecto de software libre que se distribuye bajo la licencia MIT, aunque los ejecutables se

distribuyen bajo una licencia gratuita no libre.

3 Sensores De Monitoreo

3.1 Los sensores de corriente inalámbricos

Los sensores de corriente inalámbricos (CT) miden la corriente alterna (CA) e

informan el promedio de 5 mediciones cada 30 segundos.

“Los sensores de corriente inalámbricos son redes de diminutos dispositivos,

equipados con sensores, que colaboran en una tarea común. Las redes de sensores

están formadas por un grupo de sensores con ciertas capacidades sensitivas y de

comunicación inalámbrica que permiten formar redes ad- hoc sin infraestructura

física preestablecida ni administración central.”. (Roberto Martínez, 2009)

“Corriente Alterna Se describe como el movimiento de electrones libres a lo largo

de un conductor conectado a un circuito en el que hay una diferencia de potencial.

La corriente alterna fluye en tanto existe una diferencia de potencial. Si la polaridad

de la diferencia de potencial no varía, la corriente siempre fluirá en una dirección”.

(Octavio Paz, 1967)

https://github.com/Microsoft/vscode/blob/master/LICENSE.txt

https://code.visualstudio.com/license








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Pueden instalarse fácilmente dentro de un panel de maquinaria, panel de distribución

u otra ubicación adecuada. Simplemente se enganchan alrededor de cables monofásicos o

trifásicos, por lo que no hay interrupción del suministro eléctrico.

3.1.1 Datos Obtenidos De Los Sensores De Corriente Inalámbricos

Tabla 1. Datos de

Los sensores de

corriente

3.2 Sensor Hall, ACS712 de Microsystems Inc

Un sensor inalámbrico tiene tres componentes técnicos, una MCU (Unidad de

microcontrolador) con un ADC, una unidad de detección y un transceptor ZigBee. Un sensor

basado en efecto Hall, ACS712 de Microsystems Inc. se utiliza para medir la CA en el

sistema. Probando los sensores desde una carga de 100 vatios a 1000 vatios.

3.2.1 Datos Obtenidos De Hall, ACS712 de Microsystems Inc

ID TEMPERATURA

(°C)

RANGO

OPTIMIZADO, IP

(A)

SENSIBILIDAD,

SENS

(TIPO) (MV / A)

ACS712ELCTR-05B-T 65 5 185

ACS712ELCTR-20A-T 85 20 100

ACS712ELCTR-30A-T 50 30 66

Tabla 2. ACS712 - Allegro MicroSystems

Obtenido de: https://www.allegromicro.com/~/media/files/datasheets/acs712-datasheet.ashx

La aplicación es independiente del sistema operativo, porque está implementada en

Java. Los datos entrantes de cada sensor contienen el estado real del dispositivo, el consumo

de energía y un ID de sensor único. Como sistema prototipo, se implementan en nuestro

sistema dos servicios, monitoreo y control remoto on / off. Los usuarios pueden establecer el

rango de fechas para verificar el consumo de energía de un Electrodoméstico.

TIEMPO HZ Canal RANGO

A

ANGULO

(GRADOS) ID

08:08:04 50 3 480 20.9 ICE605

08:18:04 50 1 50 20.9 ICE605

09:20:01 50 2 180 20.9 ICE605

10:08:13 50 2 160 20.9 ICE605

10:10:12 50 3 500 20.9 ICE605

14:21:41 50 1 48 20.9 ICE605








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3.3 Los sensores de temperatura PT100

Los sensores de temperatura PT100 Este tipo de sensores de temperatura usan un

conductor frío, esto significa que estos sensores de temperatura tienen una resistencia inferior

en temperaturas bajas y por tanto tienen una mejor conducción.

“Los sensores de temperatura se utilizan para medir el calor para asegurar que el

proceso se encuentre, o bien dentro de un cierto rango, lo que proporciona

seguridad en el uso de la aplicación, o bien en cumplimiento de una condición

obligatoria cuando se trata de calor extremo, riesgos, o puntos de medición

inaccesibles.”. (Carolyn Mathas, 2011)

4.3.| Datos Obtenidos De Los sensores de temperatura PT100

}

Tabla 3. pt100 ohm table

Obtenido de: http://www.manoraz.com/_Uploads/dbsAttachedFiles/PT-100_Table.pdf

Pt 100 ohms

TEMPERATU

RA°C0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-100 60.20 59.79 59.38 58.98 58.57 58.16 57.75 57.34 56.93 56.52

-90 64.23 63.83 63.43 63.02 62.62 62.22 61.81 61.41 61.01 60.60

-80 68.25 67.85 67.45 67.05 66.65 66.25 65.84 65.44 65.04 64.64

-70 72.26 71.86 71.46 71.06 70.66 70.26 69.86 69.46 69.06 68.66

-60 76.26 75.86 75.46 75.06 74.67 74.27 73.87 73.47 73.07 72.67

-50 80.25 79.85 79.45 79.06 78.66 78.26 77.86 77.46 77.06 76.66

-40 84.22 83.83 83.43 83.03 82.64 82.24 81.84 81.44 81.05 80.65

-30 88.18 87.79 87.39 87.00 86.60 86.21 85.81 85.41 85.02 84.62

-20 92.13 91.74 91.35 90.95 90.56 90.16 89.77 89.37 88.98 88.58

-10 96.07 95.68 95.29 94.89 94.50 94.11 93.71 93.32 92.92 92.53

0 100.00 99.61 99.22 98.82 98.43 98.04 97.65 97.25 96.86 96.47

HILOS

Pt 100 ohms

TEMPERATU

RA°C0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 100.00 99.61 99.22 98.82 98.43 98.04 97.65 97.25 96.86 96.47

10 103.90 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.41

20 107.79 108.18 108.57 108.96 109.35 109.74 110.12 110.51 110.90 111.29

30 111.67 112.06 112.45 112.84 113.22 113.61 114.00 114.38 114.77 115.16

40 115.54 115.93 116.32 116.70 117.09 117.47 117.86 118.24 118.63 119.01

50 119.40 119.78 120.17 120.55 120.94 121.32 121.71 122.09 122.48 122.86

60 123.24 123.63 124.01 124.39 124.78 125.16 125.54 125.93 126.31 126.69

70 127.07 127.46 127.84 128.22 128.60 128.99 129.37 129.75 130.13 130.51

80 130.89 131.28 131.66 132.04 132.42 132.80 133.18 133.56 133.94 134.32

90 134.70 135.08 135.46 135.84 136.22 136.60 136.98 137.36 137.74 138.12

100 138.50 138.88 139.26 139.64 140.02 140.40 140.77 141.15 141.53 141.91

HILOS








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Tabla 4. pt100 ohm table

Obtenido de: http://www.manoraz.com/_Uploads/dbsAttachedFiles/PT-100_Table.pdf

3.4 Smart Meter

Brindar un ahorro de energía, gestión de la demanda y eficiencia energética. Puesto

que tiene la capacidad de comunicarse entre sí y ejecutar ordenes de mando local o remoto.

3.4.1 Datos Obtenidos De Smart Meter

Estos datos que envía el Smart Meter son recolectados en un nodo concentrador, el cual

recepta la información de varios dispositivos anexados a su red, y envía a una base de datos la

información de un grupo de concentradores, este equipo puede considerarse como un servidor

por la capacidad y características que debe presentar datos relevantes a aquellos que son

enviados por el Smart Meter y tendrán prioridad según su uso o aplicación, lo cual es

determinado por las simulaciones que serán realizadas

5. Diagrama De Arquitectura

El diseño propuesto para la integración de los dispositivos IoT parte de trabajos

previos realizados la vivienda. La arquitectura general se divide en tres niveles según la

funcionalidad de los dispositivos.

• Campo: adquisición de señales de dispositivo final.

• Automatización: controladores de procesos y gateways.

• Gestión: clientes de operación, servidores de datos, bases de datos y procesamiento en

la nube.








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Los datos se escriben en la base de datos SQL mediante NETx BMS

Server. Además, en este último nivel se encuentran los controladores de ambientes que se

ven en mayor detalle en la sección “Hardware IoT”. Los controladores, denominados “nodo

de control inteligente v1.5 (NCI v1.5)”, se comunican a través de la red wifi existente

mediante Modbus TCP a los gateways. Estos últimos han sido desarrollados mediante

Raspberry Pi3. (Nicolau, 2019)

5.1 Nivel de campo - Hardware IoT

En proyectos similares desarrollados y llevados a cabo se analizaron el nivel de

campo – Hardware IoT en el cual se mencionó que se llevan a cabo las acciones finales de

control y monitoreo de las señales de interés en el proyecto. Para cumplir estas tareas

específicas, se desarrolló el hardware NCI v1.5. Los dispositivos se

instalaron en el sector A. La información sobre las variables ambientales y eléctricas se

obtiene mediante la conexión de sensores y detectores (temperatura, humedad, corriente

consumida por los equipos de aire acondicionado, iluminación y ventilación, presencia y

movimiento de personas) al NCI v1.5.

5.2 Implementación y especificaciones

El desarrollo del hardware se centró en el uso del microcontrolador. Se trata de un

sistema en chip (SoC) de bajo costo y altas prestaciones fabricado por la compañía china

Espressif Systems. Entre ellos se optó por la versión ESP-07, ya que se distingue por la

disponibilidad de un conector on-board subminiatura tipo A (SMA) para una antena externa,

extendiendo el rango de cobertura en la comunicación wifi.

El circuito impreso implementado se elaboró a través del software DipTrace, mediante

un diseño doble faz de cien por cincuenta milímetros (100 x 50 mm). Contiene al módulo

ESP8266-07 y los conectores de entrada-salida necesarios para la conexión de los distintos

sensores y actuadores empleados.

Para el monitoreo y control de las variables de interés, el NCI v1.5 cuenta con sensor

de temperatura y humedad ambiente; detector de movimiento; sensores de corriente; salida

on/off mediante relay hasta diez amperes 220 volts alterna (10 A, 220 Vca), para el control

del circuito de iluminación/ventilación, y salida IR, para el control del aire acondicionado,

simulando el comando de su correspondiente control remoto. A

este servidor se puede acceder mediante la dirección IP asignada por el punto de acceso,

desde cualquier dispositivo conectado a la misma red. Este brinda, además, la posibilidad de

controlar las salidas del controlador y acceder a la administración del dispositivo, donde se

realizan diversas configuraciones del sistema (ajustes de red, calibraciones, actualizaciones

de firmware, modificaciones online del servidor web, entre otras). (Nicolau, 2019)








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ANEXOS

Vista Lógica

En esta vista se representa la funcionalidad que el sistema proporcionara a usuarios

finales que utilicen la aplicación web. Es decir, representará lo que el sistema debe

hacer, y las funciones que ofrece la página web. Se incluirá diagramas de clases, de

comunicación o de secuencia UML.

Vista de procesos

En esta vista se muestran los procesos que hay en el sistema y la forma en que se

comunican estos procesos es decir se representa desde la perspectiva como un flujo de

trabajo. Se adjuntará el diagrama de actividad.








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Vista +1 Escenarios

En esta vista se presentará los casos de usos de software y la función que tendrá cada

usuario con el sistema, que unirá y se relacionará con las demás vistas, con lo que se

tendrá coherencia entre componentes, clases, paquetes, etc.








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BENEFICIOS

• Uno de los beneficios es que aportara para mejorar la calidad de vida de los usuarios

de las viviendas.

• Incremento de la seguridad del abastecimiento de energía, disminuir las emisiones,

para estimular la competitividad y fomentar el desarrollo de un mercado avanzado de

tecnologías y productos.

• Reducción de consumo de energía.

• El ahorro económico y el desarrollo armónico de las actividades del usuario.

CONCLUSIONES

La propuesta presenta como principal ventaja un importante ahorro de energía con

dispositivos de bajo costo y fácil implementación. Incorporándose a una arquitectura

escalable y con nodos de control flexibles. El diseño de los NCI v1.5 se basa en el concepto

de IoT y posee una baja complejidad de adaptación a otros ambientes.

La característica de procesamiento y la ubicación dentro de la arquitectura propuesta

de los Gateways permite la posibilidad de potenciar sus funcionalidades, por ejemplo,

centralizar la toma de decisiones para el control de los puntos de configuración de

temperatura en función de la tendencia del consumo en el sector.








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BIBLIOGRAFÍA

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https://www.picuino.com/es/arduprog/sensor-temp.html

https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/0712.pdf

https://medium.com/naukri-engineering?source=follow_footer-------------------------------------

https://medium.com/naukri-engineering/naukriengineering-rabbitmq-messaging-that-just-works-dafcd0cfd194

https://medium.com/naukri-engineering/naukriengineering-rabbitmq-messaging-that-just-works-dafcd0cfd194

“diseÑo de una arquitectura distribuida con la …

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