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Ibersensor 2010, 9-11 November 2010, Lisbon, Portugal
IB-008
Red Inalámbrica de Sensores Aplicada a la Gestión Energética
E. Lluna, A.E. Navarro, D. Ramírez, S. Casans, J. Sánchez
Departamento de Ingeniería Electrónica. ETSE. Universidad de Valencia.
C/ Doctor Moliner 50. 46100 Burjassot. Valencia. España.
[email protected], [email protected]
Abstract
Se presenta el diseño y desarrollo de un instrumento distribuido de medida del consumo eléctrico, orientado
a aplicaciones de gestión energética en las que el conocimiento de los consumos en cargas individuales
incrementa las posibilidades de actuación. El sistema se constituye como una red inalámbrica de sensores
inteligentes. Para la medida de los parámetros eléctricos y el consumo se usa el circuito de Analog Devices
ADE7753 y como sistema de comunicaciones inalámbricas el estándar IEEE 802.15.4 y el chip de
Microchip MRF24J40.
Keywords: Measurement, sensor network, wireless, IEEE 802.15.4.
Introducción
Cada día es más importante el ahorro
energético y en especial el ahorro en el consumo
de energía eléctrica tanto a nivel doméstico como
industrial. El primer paso para poder iniciar el
ahorro consiste en poder medir los consumos de
forma distribuida en las diferentes cargas. Esta
capacidad de medida de forma distribuida es
imprescindible puesto que una casa, fábrica o
área de consumo en general está compuesta por
múltiples elementos de consumo y conocer sólo el
consumo global limita las posibilidades de
actuación.
En este trabajo se presenta el desarrollo de un
sistema de medida distribuida en forma de red de
sensores inalámbrica usando componentes
comerciales que permiten, con un alto grado de
integración
y
un
número
reducido
de
componentes, obtener un sistema fiable y de
precisión.
•
Recolección y almacenamiento de datos
provenientes de Nodos de Medida.
• Gestión de la comunicación con el Centro de
Control de la red.
• Sincronización temporal de los Nodos de
Medida.
Las principales funcionalidades requeridas
para un Nodo de Medida son:
• Medida de forma automática de la potencia
consumida y otros parámetros eléctricos como
tensión, corriente y frecuencia.
• Medida de parámetros de calidad de línea
como corte/reposición y picos de tensión y
corriente.
• Conexión a la red de medida establecida por
el Nodo Central.
• Envío de la información medida al Nodo
Central.
• Procesado de órdenes provenientes del Nodo
Central.
Estructura y Funcionalidad del Sistema
La estructura del sistema propuesto se muestra
en la Figura 1 y consta de dos tipos básicos de
elementos, los Nodos de Medida, los cuales son
dispositivos autónomos encargados de realizar las
medidas por lo que deben ser instalados en las
cargas y, además, deben ser capaces de enviar
esta información a un centro de control de la red, y
un Nodo Central el cual actúa como coordinador y
centralizador de la información recopilada y como
punto de unión con un sistema de gestión de la
red de medida que llamaremos Centro de Control.
Las principales funcionalidades requeridas en
el Nodo Central son:
• Establecimiento y gestión de la red
inalámbrica.
Figura 1: Estructura de bloques del sistema de medida
distribuido propuesto
La Figura 1 también muestra la estructura
interna de los nodos mostrando los bloques
constitutivos básicos de cada uno. Los Nodos de
Medida constan de un bloque de medida, un
sistema de control compuesto por una CPU, un
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sistema de comunicaciones inalámbrico con el
Nodo Central y un sistema de alimentación. El
Nodo Central tiene una estructura parecida pero
se añade un sistema de comunicación con el
Centro de Control y en lugar del bloque de
medidas aparece un bloque de almacenamiento
de datos.
Los elementos clave de la estructura propuesta
que garantizan la funcionalidad descrita son el
sistema de comunicación, el sistema de medida y
el mecanismo de sincronización temporal entre los
nodos. En los siguientes puntos se describen
estos tres elementos.
Rogowski [2] y sensor basado en efecto Hall
Allegro ACS650 [].
El sensor basado en efecto Hall obliga a cortar
el circuito a medir para intercalar el sensor, por lo
que se ha utilizado para cargas pequeñas con
toma desconectable, como electrodomésticos, etc.
La sonda Rogowski no necesita interrumpir el
circuito a medir y es adecuada para grandes
valores de corriente. De esta forma se dispone de
dos tipos de Nodos de Medida, uno apto para
pequeñas cargas basado en el sensor de efecto
Hall y otro para grandes consumos basado en la
sonda Rogowski.
Comunicación
Sincronización de los Nodos
Para el sistema de comunicaciones entre los
Nodos de Medida y el Nodo Central se ha
impuesto el requisito de no requerir cableado extra
para la instalación del sistema, lo que lleva a elegir
un sistema de comunicación inalámbrica. En
concreto se ha escogido el estándar IEEE
802.15.4 [1] englobado en el grupo de las Redes
de Área Personal Inalámbricas (WPAN: Wireless
Personal Area Network). El estándar IEEE
802.15.4 es el nivel físico empleado por Zigbee.
Sus principales características, que lo hacen
adecuado para esta aplicación, son un alcance de
decenas de metros, latencias bajas (<15 ms),
velocidad de hasta 250 kb/s y muy bajo consumo.
La red de sensores se constituirá como una red
en árbol en el que el Nodo Central hará las veces
de Coordinador PAN de la red. Los Nodos de
Medida harán las veces de Nodos Terminales
conectándose a un Coordinador.
Para poder comparar las medidas provenientes
de diferentes Nodos es imprescindible que éstos
incluyan el instante temporal en el que han sido
obtenidas en una misma base de tiempos. Para
ello todos los Nodos de Medida deben estar
sincronizados. Tanto los Nodos de Medida como
el Nodo Central no disponen de un reloj en tiempo
real (RTC: Real Time Clock) por lo que usan como
base temporal un contador que se incrementa
usando un contador hardware. La sincronización
consiste en igualar estos contadores en todos los
Nodos de la red.
Para ello se usa el método ‘Remote Clock
Reading’ [4] el cuál efectúa la sincronización
mediante un intercambio de mensajes. El Nodo
Central actúa de Servidor de Reloj y los Nodos de
Medida como Clientes del mismo.
Estructura del sistema: Hardware
Medida
La medida de la energía eléctrica así como
otros parámetros eléctricos tales como tensión,
corriente y frecuencia se realiza con el circuito
ADE7753 de Analog Devices. El ADE7753
pertenece a la familia ADE77XX y sus principales
características son medida monofásica, error
menor de 0.1% en la medida de energía, medida
de valores de tensión, corriente y frecuencia,
detección de picos de tensión y corriente y huecos
de tensión, además de tener un consumo típico de
5 mA.
Un aspecto importante en la medida son las
sondas de tensión y corriente utilizadas. En el
caso de la medida de tensión se emplea un divisor
resistivo para llevar directamente la tensión a
medir al rango de entrada admitido por el
ADE7753. En la medida de la corriente se han
empleado dos tipos diferentes de sensor: Sonda
Figura 2: Diagrama de bloques del Nodo Central
La Figura 2 y Figura 3 muestran los diagramas
de bloques del Nodo Central y los Nodos de
Medidas respectivamente. En dichas figuras se
observa que hay módulos que son comunes a los
dos tipos de Nodos. Estos bloques comunes son
el módulo IEEE 802.15.4 de comunicaciones
inalámbricas, la CPU de control y el bloque del
conmutador de batería a red. Para el bloque del
módulo IEEE 802.15.4 de comunicaciones
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inalámbricas se ha usado el módulo Picdem Z de
Microchip basado en el chip MRF24J40 y que
incluye la antena en la PCB. El módulo de CPU de
control utiliza el microcontrolador PIC18LF2720 de
Microchip.
En
el
módulo
Conmutador
batería/Fuente de alimentación se usa el chip
ADM690 de Analog Devices.
Los bloques específicos del Nodo Central
corresponden a la memoria de almacenamiento
externa y al módulo de comunicación USB que es
el sistema de comunicación con el Centro de
Control.
Los bloques específicos del Nodo de Medida
son el chip de medida ADE7753 y los bloques de
acondicionamiento de la señal de tensión y
corriente. El bloque de acondicionamiento será
diferente en función del tipo de sonda de medida
usada.
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funciones básicas para el establecimiento y uso de
la red inalámbrica. Los otros han sido
desarrollados específicamente.
Cada uno de los bloques representados en los
diagramas muestra una funcionalidad software
que en la implementación puede corresponder a
una tarea o a una librería. Debido a la limitación
de memoria y velocidad de proceso de la CPU
empleada, éstos no incorporan un Sistema
Operativo. Por lo tanto, para permitir este diseño
en forma de tareas se ha desarrollado un sistema
de gestión de tareas basado en Máquinas de
Estado Finitas (FSM). Cada tarea se ha modelado
como una FSM de forma que se van ejecutando
de forma secuencial todas las máquinas de
estado. Esto proporciona un sistema multitarea
cooperativo no preemptivo en el que cada tarea
debe ir cediendo el control de la CPU a la
siguiente.
Comunicaciones
IEEE 802.15.4
Gestión
Comunicación
(TxRxTask)
Mantenimiento
Red
(NetTask)
Pila
Comunicaciones
Sincronización
Temporal
Gestión
Nodos Medida
Almacenamiento
Datos
Comunicación
Centro
Control
Hardware
Figura 3: Diagrama de bloques los Nodos de Medidas
Figura 4: Diagrama de bloques del software del Nodo Central
Estructura del sistema: Software
Los bloques hardware descritos en la sección
anterior ofrecen las funcionalidades básicas, pero
es necesario un conjunto de funcionalidades de
alto nivel que son proporcionadas por el software
desarrollado. Hay dos tipos de software, el que se
ejecutará en el microcontrolador de cada Nodo
(tanto de Medidas como Central), llamado
Firmware, y por otra parte una aplicación de
Centro de Control para la monitorización y
actuación sobre el sistema.
En cuanto al Firmware, a su vez, se han
desarrollado dos tipos, uno para los Nodos de
Medidas y otro para el Nodo Central. La Figura 4 y
la Figura 5 muestran respectivamente la estructura
de bloques software para cada nodo.
En ambas figuras se observan una serie de
bloques comunes como el de comunicaciones
IEEE 802.15.4, sincronización y otros particulares
de cada tipo de nodo. El bloque de
comunicaciones se basa en la pila MiWi de
Microchip especialmente diseñada para la familia
de Microcontroladores y que proporciona las
Comunicaciones
IEEE 802.15.4
Gestión
Comunicación
(TxRxTask)
Mantenimiento
Red
(NetTask)
Pila
Comunicaciones
Sincronización
Temporal
Gestión
Modo
Medidas
Calibración
Consola
Hardware
Figura 5: Diagrama de bloques del software de los Nodos de
Medidas.
La aplicación de Centro de Control se ha
desarrollado
en
LabView
y
proporciona
funcionalidad
básica
de
recepción,
almacenamiento y visualización de los datos
medidos, así como el acceso a medidas
instantáneas y la configuración de los Nodos. La
aplicación consta de una serie de pestañas con
diferentes funcionalidades. La Figura 6 muestra la
pantalla principal correspondiente a la pestaña
General en la que se muestran los Nodos
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presentes en la red y una serie de datos básicos
de los mismos.
Figura 6: Pantalla principal de la aplicación del Centro de
Control
Resultados Experimentales
Tanto el software como el hardware descrito
han sido probados en varios prototipos
desarrollados. Las pruebas se han centrado en las
funcionalidades de alto nivel que incluyen:
• Consumo.
• Capacidades de medida.
• Cobertura del sistema de comunicación.
• Sincronización.
El consumo de potencia para un Nodo de
Medida está en el rango de 300 mW a 450 mW
dependiendo del tipo de sensor de corriente
usado. El sensor basado en el efecto Hall es el
que presenta mayor consumo de energía.
Las capacidades de medida han sido probadas
con diferentes cargas comparando los valores
obtenidos con los proporcionados por un equipo
de referencia. El equipo de referencia utilizado es
un Agilent 6814A AC Power Source/Analyser. Las
pruebas dan una precisión en las medidas por
debajo del 1% para la medida de energía y por
debajo del 2% para la medida de los valores de
tensión y corriente.
Para el sistema de comunicación inalámbrica
se han efectuado una serie de pruebas de
cobertura usando como indicador el parámetro
Received Signal Strength Indicator (RSSI) [5].
Éstas incluyen la medida del parámetro RSSI en
diferentes posiciones en un escenario real. Los
resultados muestran un rango de cobertura de
unos 15 metros. Esta distancia es menor que la
especificada lo que sugiere que la antena incluida
en la PCB no presenta una buena eficiencia.
Por último se ha probado la sincronización
entre nodos. Las pruebas mostraron que el
mecanismo
de
sincronización
funciona
independientemente del valor del RSSI.
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Conclusiones
El trabajo ha demostrado que con la tecnología
actual es posible desarrollar un sistema complejo
de medida basado en bloques probados que
facilitan su integración, permitiendo centrarse sólo
en las funcionalidades de alto nivel. La mayor
parte de la funcionalidad final del sistema es
producto del software, lo que da gran flexibilidad y
deja
abiertas
las
puertas
a
nuevas
funcionalidades.
El trabajo realizado en la parte de
sincronización ha probado que no es necesario
dotar al sistema de un RTC para obtener medidas
perfectamente sincronizadas.
En el área del software se ha desarrollado un
sistema de tareas basado en máquinas de
estados finitos que ha facilitado enormemente el
desarrollo permitiendo un diseño en base a tareas
cooperando entre ellas y que permite la extensión
del mismo de forma fácil.
De modo que se puede concluir que el sistema
desarrollado ha cumplido plenamente los objetivos
perseguidos de disponer de un sistema distribuido
de medida de potencia basándose en productos
comerciales probados y centrando el desarrollo en
las funcionalidades avanzadas del sistema. El
sistema desarrollado se constituye como una
herramienta operativa para la gestión energética
tanto en entornos domésticos como en entornos
industriales.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido posible gracias al soporte
financiero de los proyectos ENE2008-06588-C0404 del Ministerio de Ciencia e Innovación de
España y del Fondo Social Europeo para el
Desarrollo Regional y ACOMP/2010/231 de la
Generalitat Valenciana.
Referencias
[1] www.ieee.org
[2] Rocoil: “1000 Series Rogowski Coils Data Sheet”.
http://homepage.ntlworld.com/rocoil/
[3] Allegro:
“ACS750xCA-50
Data
Sheet”.
http://www.allegromicro.com/en/Products/Part_Numbers/0750/0
750-050.pdf
[4] Bharath Sundararaman, Ugo Buy, Ajay D.Kshemkalyani:
“Clock Synchronization for Wireless Sensor Networks: A
Survey”. Ad-Hoc Networks, 3(3):281-323, May 2005.
[5] Kannan Srinivasanm, Philip Levis: “RSSI is Under
Appreciated”, EmNets 2006