Diseño e Implementación de un Prototipo de Control de Iluminación LED con Aplicación Móvil Compatible con Android
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(2) DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE CONTROL DE ILUMINACIÓN LED CON APLICACIÓN MÓVIL COMPATIBLE CON ANDROID. MIGUEL FELIPE PAEZ MONTERO JHONATAN STIVEN SÁNCHEZ HUERTAS. Proyecto de grado para obtener el Título de Tecnólogo en Electricidad. Director Ing. Luis Antonio Noguera Vega Docente. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA EN ELECTRICIDAD BOGOTÁ D.C. 2017.
(3) Bogotá, mayo de 2017. Nota de aceptación: _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________. Presidente del jurado. _________________________________ Jurado. _________________________________ Jurado.
(4) DEDICATORIA. A mi madre Sandra Montero y mi padre Arbey Páez por su incondicional apoyo, A mi abuela Elsa torres por su compresión y acompañamiento continuo. Miguel Felipe Paez Montero. A mis padres Carlos Sánchez y Nora Huertas, a mis hermanos; por ser la fuente de inspiración que me impulsaba a continuar día a día, gracias por su apoyo y comprensión. Jhonatan Stiven Sánchez Huertas.
(5) AGRADECIMIENTOS En primer lugar agradecer a Dios por las bendiciones recibidas, por permitir culminar esta bella etapa de la vida. A nuestras familias a las cuales queremos llenar de orgullo, gracias por la comprensión, apoyo y el tiempo que queda en deuda. Agradecemos al ingeniero Luis Antonio Noguera Vega, docente de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y director del proyecto, quien nos apoyó con su tiempo y dedicación durante todas las etapas del proyecto. A la Facultad Tecnológica por prestar sus instalaciones para el desarrollo de toda la etapa de aprendizaje y desarrollo del proyecto. A los docentes quienes hicieron parte de nuestra formación académica, que dedicaron su tiempo y paciencia para formarnos como profesionales íntegros. A todos los compañeros que hicieron parte de nuestra carrera universitaria, con los que compartimos las mejores experiencias y de los cuales quedan los mejores recuerdos..
(6) TABLA DE CONTENIDO pág. Abstract ........................................................................................................................................... 9 Resumen.......................................................................................................................................... 9 1.. Introducción ........................................................................................................................... 10 1.1. Conceptos básicos de iluminación ................................................................................. 13. 2.. Metodología y criterios iniciales ........................................................................................... 15 2.1. Criterios iniciales............................................................................................................ 18 2.1.1.. Elementos de medida .............................................................................................. 18. 2.1.2.. Elementos del sistema de control ............................................................................ 18. 2.1.2.1.. Microcontrolador Arduino .................................................................................. 18. 2.1.2.2.. Módulo WI-FI ESP8266 y sensor de iluminación BH1750…………………….19. 2.1.2.3.. Potenciómetro digital XPC103P de 10 kΩ ......................................................... 20. 2.1.2.4.. Circuito optoacoplador ........................................................................................ 21. 2.1.2.5.. Driver OSRAM OPTOTRONIC OT40W ........................................................... 21. 2.1.2.6.. Luminaria LED 12 W .......................................................................................... 22. 2.1.3. 3.. Recinto de mediciones ............................................................................................ 22. Desarrollo del sistema de control y resultados ...................................................................... 23 3.1. Tipo de control ............................................................................................................... 23 3.2. Caracterización de luminarias LED de 12 W ................................................................. 24 3.3. Caracterización del driver Osram con potenciómetro análogo y potenciómetro digital X9C103P ........................................................................................................................ 26 3.3.1.. Tratamiento matemático de las señales................................................................... 28. 3.4. Desarrollo código de programación en Arduino ............................................................ 30 3.5. Desarrollo código de programación de aplicación móvil............................................... 32 3.6. Circuito de control .......................................................................................................... 35 3.7. Características del recinto de instalación del sistema de control ................................... 35 3.8. Resultados sistema de control ........................................................................................ 36 3.8.1.. Ubicación del sensor ............................................................................................... 36. 3.8.2.. Datos esperados ...................................................................................................... 38. 4.. Conclusiones .......................................................................................................................... 39. 5.. Bibliografía ............................................................................................................................ 40. 6.. Apéndice ................................................................................................................................ 42.
(7) LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Esquema básico de conexión del sistema DALI.. 12. Figura 2. Diagrama desarrollo del proyecto.. 17. Figura 3. Especificaciones del recinto de medida. 23. Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de control de iluminación LED.. 24. Figura 5. Medición de características eléctricas de luminarias LED.. 24. Figura 6. Curva de corriente vs iluminancia en luminarias LED de 12 W.. 25. Figura 7. Caracterización del driver OSRAM en luminarias LED.. 26. Figura 8. Curva de resistencia vs iluminancia en luminarias LED de 12 W.. 27. Figura 9. Dimerización de luminarias con un potenciómetro digital de 10 kΩ. 28. Figura 10. Curva suavizada de resistencia vs iluminancia en una luminaria LED. 29. Figura 11. Diagrama de flujo del código de Arduino.. 31. Figura 12. Diagrama de flujo de la aplicación móvil... 33. Figura 13. a) Modo manual de la aplicación, b) Modo automático de la aplicación.. 34. Figura 14. Diagrama circuito de control.. 35. Figura 15. Curvas de rangos de detección del sensor.. 37. Figura 16. Curvas de rangos de detección del sensor.. 38.
(8) LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Equipos de medida utilizados en montajes. ........................................................ 18 Tabla 2. Ficha técnica del microcontrolador Arduino....................................................... 19 Tabla 3. Ficha técnica del Módulo WI-FI. ........................................................................ 20 Tabla 4. Ficha técnica del sensor BH1750 compatible con Arduino. ............................... 20 Tabla 5. Ficha técnica del potenciómetro digital. ............................................................. 21 Tabla 6. Ficha técnica del driver OSRAM. ....................................................................... 21 Tabla 7. Ficha técnica Luminaria LED de 12 W. ............................................................. 22 Tabla 8. Mediciones sistema de control LED ................................................................... 38 Tabla 9. Costos asociados al sistema de control de iluminación LED .............................. 42.
(9) DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE CONTROL DE ILUMINACIÓN LED CON APLICACIÓN MÓVIL COMPATIBLE CON ANDROID Abstract This project has as objective to design and implement an ilumination’s control system LED which allow the luminious intensity’s regulation in luminaries LED of 12 Watts, which, for its tecnics characteristics are used mainly in the residential and commercial sector. Through measurements of the electrical characteristcs of the luminaries LED and the behavior that have the driver it was determined and designed the prototype of manner it does a best control over the luminaries and it be the most efficient possible, it was determined the number of luminaries which can be dimmerize with this driver. The results obtain show that this type of driver can dimmerize whatever type of LED luminary that have the driver external to it, can be configurate the prototype of control obtaining the illuminance's curve, besides, it was determined that is possible configurate this type of electronic potentiometer for dimmerize a LED luminary of different power. Finally it was done a wireless communication between the movil application compatible with Android devices and the Arduino microcontroller through of the Intranet, doing the control be more flexible and economic. This movil application is the interface that allows the user to interact with the control system. Resumen Éste proyecto tiene como fin diseñar e implementar un sistema de control de iluminación LED el cual permita la regulación de intensidad luminosa en luminarias LED de 12 W, las cuales, por sus características técnicas son usadas principalmente en el sector residencial y comercial. A través de mediciones de las características eléctricas de las luminarias LED y el comportamiento que tiene el driver se determinó y diseñó el prototipo de manera que éste realizara un mejor control sobre las luminarias y que sea eficiente, se determinó el número de luminarias las cuales se pueden 9.
(10) dimmerizar con este driver. Se realizó una comunicación inalámbrica entre la aplicación móvil compatible con dispositivos Android y el microcontrolador Arduino a través de la intranet, haciendo que el control sea más flexible y económico. Esta aplicación móvil es la interfaz que permite al usuario interactuar con el sistema de control. Los resultados obtenidos evidencian que este tipo de driver puede dimmerizar cualquier tipo de luminaria LED que tenga el driver externo a ella, se puede configurar el prototipo de control obteniendo la curva de resistencia vs iluminancia, además se determinó que es posible configurar este tipo de potenciómetro digital para dimmerizar una luminaria LED de diferente potencia. 1. Introducción En la actualidad se manejan diferentes tipos de fuentes de luz, algunas son fuentes naturales como el sol, mientras que otras son fuentes de luz artificiales como las lámparas. Las fuentes de luz artificiales tienen sólo dos modos de operación, encendido o apagado (control on-off) y al final todo tiene que ser controlado manualmente. Esto conducen al derroche energético y al mismo tiempo un control manual no es eficaz en la era moderna (Cesár, 2017). Los sistemas de control de iluminación más modernos son bastante robustos y costosos por lo que no son fácilmente accesibles y en algunos casos dependen de los fabricantes de estas lámparas haciendo que sea un sistema cerrado. Este proyecto tiene como fin diseñar un sistema de control de iluminación para luminarias LED el cual se encarga de regular la intensidad luminosa de luminarias, además de una aplicación móvil para el sistema operativo Android, esta aplicación tendrá un sistema de comunicación inalámbrica con el microcontrolador Arduino para que el sistema sea más flexible, por lo cual será un sistema comercial. El sistema es tanto autónomo, en el cual funcionará y se regulará haciendo. 10.
(11) mediciones con sensores y enviando estás señales de control a un microcontrolador; y manual en donde se controla el sistema mediante un dispositivo móvil o Smartphone. En la actualidad los sistemas de control de iluminación son sistemas cerrados y por sus características no presentan una solución económica y confiable al problema de eficiencia energética. La solución más efectiva y disponible en el mercado de la mayoría de fabricantes de lámparas como lo son Philips, Helvar, Osram entre otros; es el sistema de control DALI por sus siglas en inglés (Digital Addresable Lighting Interface), es una interfaz de comunicación digital para sistemas de iluminación. Este sistema es un estándar internacional, de acuerdo a la norma IEC 62386, que asegura la compatibilidad e intercambiabilidad entre equipos de diferentes fabricantes. DALI es el sistema de control de iluminación más usado a nivel mundial, sin embargo, cuenta con varias deficiencias las cuales se evidencian a continuación: Flexibilidad: Este sistema cuenta con un máximo de 64 luminarias que pueden ser controladas por un único controlador, por lo tanto, en instalaciones eléctricas con mayor cantidad instalada de estas luminarias necesita de dos o más controladores y sistemas independientes de control. Este sistema cuenta con una limitación de distancia ya que la luminaria más lejana del controlador puede estar a una longitud máxima de 300 m, sobrepasada esta distancia los fabricantes no aseguran que el control de la luminaria sea efectivo. Costos: Cada luminaria necesita de su propio driver, además de un cableado para la parte de control independiente del cableado de potencia, esto para llevar la señal de control a cada driver. Comunicación: El sistema de mando general necesita tener una conexión física con el controlador, es decir, el software o interfaz debe estar conectado al controlador de los drivers, por lo tanto, se delimita el lugar desde donde se puede instalar el panel de control de todo el sistema. Como se observa en la Figura 1 el funcionamiento y esquema de conexiones del sistema DALI:. 11.
(12) Figura 1. Esquema básico de conexión del sistema DALI. Fuente: http://blog.ledbox.es/ledbox-2/productos/dali-una-interfaz-comun-para-todos-los-componentes-deiluminacion. Los controles de iluminación son cada vez más sofisticados. Debido a que el costo de energía aumenta continuamente, es necesario hacer esfuerzos para minimizar el consumo de energía en sistemas de iluminación. “El control de los sistemas de iluminación juega un papel importante en un sistema de iluminación, todos los dispositivos de control de iluminación tienen dos funciones básicas: abrir o cerrar los circuitos de iluminación y regular la intensidad luminosa en las lámparas. El objetivo de esta estrategia de control es variar la intensidad luminosa de acuerdo a la luz captada por el sensor en el ambiente a controlar, llegándose a tener un ahorro de energía de hasta el 60 %. Para lograr esto se utilizan regularmente sistemas automáticos con ajuste de la intensidad luminosa, aunque el ahorro depende de varios factores, como las condiciones climáticas; la forma, orientación y diseño del edificio, los sensores y el diseño de la instalación; y 12.
(13) las actividades propias del edificio. Las zonas a iluminar tienen que ser adyacentes a las ventanas y a no más de 4 metros y los sensores deben estar montados sobre el área de trabajo.” (Ibarra Pereyra & Rojas Anzaldo, 2013) 1.1. Conceptos básicos de iluminación Es importe definir los métodos más comunes para medir la cantidad de luz presente y generada, así como para establecer las fórmulas para el cálculo de los diversos aspectos. Tradicionalmente existen diferentes métodos para medir el rendimiento de iluminación. Los siguientes son los términos familiares que son comunes a todas las fuentes de iluminación eléctrica (incluyendo LED). . “Flujo luminoso: Cantidad de luz emitida por una fuente luminosa en todas las direcciones por unidad de tiempo. Su unidad es el lúmen (lm).. . Lúmen (lm): Unidad de medida del flujo luminoso en el Sistema Internacional (SI). Radiométricamente, se determina de la potencia radiante; fotométricamente, es el flujo luminoso emitido dentro de una unidad de ángulo sólido (un estereorradián) por una fuente puntual que tiene una intensidad luminosa uniforme de una candela.. . Luminancia (L): En un punto de una superficie, en una dirección, se interpreta como la relación entre la intensidad luminosa en la dirección dada producida por un elemento de la superficie que rodea el punto, con el área de la proyección ortogonal del elemento de superficie sobre un plano perpendicular en la dirección dada. La unidad de luminancia es candela por metro cuadrado. Bajo el concepto de intensidad luminosa, la luminancia puede expresarse a partir de la ecuación 1:. 𝐿(. 𝐶𝑑 𝑑𝑙 1 )= ( ) 2 𝑚 𝑑𝐴 cos ∅ 13. (1).
(14) Lux (lx): Unidad de medida de iluminancia en el Sistema Internacional (SI). Un lux es igual a un lúmen por metro cuadrado (1 lx = 1 lm/m2 )” (Energias, 2010) La iluminación LED es una tecnología innovadora que ha tenido grandes avances y un auge en los últimos años en el mercado debido a sus ventajas económicas, y ya que es una alternativa a las tecnologías de lámparas convencionales que comparadas con la LED son de baja eficiencia y corta vida útil, como lo son las lámparas incandescentes estas fueron comercializadas desde 1879 debido a su simplicidad, pero de igual forma es la menos eficiente, actualmente están siendo remplazadas y en algunos países están prohibidas, remplazándolas por lámparas fluorescentes compacta o fuentes de luz LED. El control de iluminación LED para diferentes niveles de iluminación se puede realizar de varias formas unas de ellas son la PWM y el TRIAC, este tipo de control es requerido en diversos ambientes otorgando mayor confort visual, acoplándose a diversas necesidades, según un estudio realizado por el centro de investigación de la iluminación controlando la intensidad lumínica necesaria en un espacio se puede ahorrar cerca del 6% de la potencia total. De otro lado, ratifico que con un sistema controlado que incorpore la luz ambiente se puede llegar a tener un ahorro hasta del 30 – 40 % de la energía consumida. En este proyecto se utilizaran luminarias con tecnología LED con posibilidades de controlar la intensidad lumínica emitida debido a sus ventajas, estas luminarias estarán controladas por un driver basado en PWM (Hussain, Azah, & M A, 2012). El objeto que realiza el control se llama driver y es el encargado de variar la tensión de entrada de la luminaria, este control lo realiza por modulación por ancho pulso por sus siglas en inglés (PWM). “La técnica de PWM consiste en producir un pulso rectangular con un ciclo de 14.
(15) trabajo determinado, este ciclo de trabajo puede variar de 0 a 100%. Un ciclo de trabajo del 0% significa que la señal siempre está nivel bajo; y un ciclo de trabajo del 100% significa la señal siempre en nivel alto, el número de casos intermedios posibles es un número finito llamado resolución del PWM y se expresa como 𝐿𝑜𝑔2 (#𝑐𝑎𝑠𝑜𝑠)”. (Terven, 2014). Así, variando el ancho de pulso varía el valor rms de la señal y se cambia el nivel de tensión de entrada de las luminarias led. Como se mencionó, el principal objetivo es proporcionar un sistema de iluminación de ahorro de energía y eficiente mediante la evaluación de la iluminación exterior y luego ajustando las luminarias led a un nivel predeterminado. El circuito se compone principalmente de un elemento de detección (sensor), que es seguido de la unidad de proceso de Arduino, que toma la entrada de elemento de detección y su salida es controlada por un potenciómetro digital el cual controla el driver, a la salida de este se encuentran las luminarias LED. El sensor detecta la luz y envía los datos a Arduino. El diagrama de bloques que representa el sistema de control se observa en la Figura 4. El Arduino analiza los datos y da su respuesta para controlar el sistema. El Arduino se programa de tal manera que ajusta automáticamente las luces para dar el resultado más exacto posible. 2. Metodología y criterios iniciales Para la realización del proyecto se desarrollaron cuatro etapas detalladas en la Figura 2. La primera etapa consistió en la indagación de la documentación referida al tema de sistemas de control de iluminación LED dimmerizables, se indagó sobre sus características y principales falencias y cualidades que tienen estos sistemas comerciales. Durante la segunda etapa se analizó la información obtenida en la etapa anterior y se tomó en cuenta las consideraciones técnicas necesarias para llevar a cabo el sistema de control. Se realizó un análisis de los tipos de control utilizados en luminarias LED y cuál de ellos es el más indicado para el diseño. Realizado este paso. 15.
(16) se procede a ejecutar las mediciones correspondientes a las luminarias, como lo son mediciones de potencia, mediciones de corriente y tensión, y medición de intensidad luminosa. Para llevar esto a cabo se realizaron las mediciones con los equipos de medida del laboratorio de máquinas eléctricas de la universidad Distrital Francisco José de Caldas, estos equipos se observan en la Tabla 1. Además de esto, se realizó la caracterización del potenciómetro digital, el sensor compatible con Arduino y el módulo de comunicación inalámbrica, además del driver el cual regula la intensidad luminosa en las luminarias. Finalmente se realiza el análisis de datos los cuales serán usados en la siguiente etapa. Durante la tercera etapa del proyecto se realizó la programación del código en Arduino y la aplicación móvil compatible con Android teniendo en cuenta los datos obtenidos en la etapa anterior, en esta etapa se realizaron las pruebas del protocolo de comunicación inalámbrica. Además, se realizaron pruebas del sensor de iluminación, determinando la mejor posición de ubicación y rangos de funcionamiento del mismo. Para finalizar el proyecto se realizó una retroalimentación de todo el sistema de control, analizando su funcionamiento y permitiéndolo comparar con otros sistemas de control.. 16.
(17) Figura 2. Diagrama desarrollo del proyecto. Fuente: Elaboración propia.. 17.
(18) 2.1. Criterios iniciales A continuación se muestran los criterios iniciales tomados en cuenta para la realización del proyecto, entre estos se encuentran los elementos de medición y los elementos que conforman el sistema de control. 2.1.1. Elementos de medida Las mediciones de tensión, corriente e iluminancia entre otras, se realizaron con los elementos de medida pertenecientes al laboratorio de electricidad de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Estos elementos se mencionan a continuación en la Tabla 1. Equipos de medida Multímetro Fluke 179 Osciloscopio Rigol DS1102E Luxómetro Digital Extech HD450 Pinza Amperimétrica Digital Extech 380942 Fuente De Alimentación Eléctrica Variable De Corriente Continua Extech 382270 Tabla 1. Equipos de medida utilizados en montajes. Fuente: Elaboración propia.. 2.1.2. Elementos del sistema de control Estos elementos que se presentan a continuación, fueron seleccionados luego de realizar un estudio del mercado disponible en Colombia y un análisis de sus características técnicas. 2.1.2.1. Microcontrolador Arduino Para el sistema de control la tensión de alimentación es suministrada por una fuente de alimentación externa a 12 V DC, ésta fuente se alimenta de la red con tensión nominal de 120 V AC. El Arduino es una placa electrónica basada en el ATmega328P. Cuenta con 14 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM) y 6 entradas analógicas. La tensión de salida de estos pines es 5 V DC (Arduino, 2016). La velocidad a la que se programa. 18.
(19) el Arduino para el sistema de control es de 19200 Baudios. Las principales características técnicas se observan en la Tabla 2. Microcontrolador ARDUINO Microcontrolador ATmega328 Voltaje de operación 5V Voltaje de entrada 7 - 12 V Pines de entrada - salida digital 14 (6 de PWM) Pines de entrada analógica 6 Frecuencia de reloj 16 MHz Peso 25 g Tabla 2. Ficha técnica del microcontrolador Arduino. Fuente: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno. 2.1.2.2. Módulo WI-FI ESP8266 y sensor de iluminación BH1750 compatibles con Arduino El módulo WI-FI ESP2866 utiliza una tensión de alimentación de 3.3 V DC la cual, para el sistema de control es suministrada por un regulador de voltaje, éste dispositivo se alimenta de una fuente externa con tensión nominal de 12 V DC. El módulo posee una comunicación serial con la cual envía y recibe datos del microcontrolador Arduino, en la Tabla 3 se observan las características técnicas de éste módulo. Al igual que el módulo WI-FI, el sensor de luz BH1750 utiliza una tensión de alimentación de 3.3 V, este sensor digital posee tres modos de uso en los cuales se puede ajustar la resolución de medida y el tiempo de muestreo. La conexión del sensor con el Arduino se realiza por medio de dos pines análogos, los cuales varían su salida en un rango de tensión dependiendo de la iluminancia captada. Se puede apreciar la ficha técnica en la Tabla 4.. 19.
(20) Módulo WI-FI ESP8266 Protocolo soportado 802,11 b/g/n WI-FI 2,4 GHz Seguridad WPA / WPA2 Voltaje de operación 3 - 3,6 V Voltaje de entrada 3,3 V 50 Ω Impedancia de entrada Corriente máxima 12 mA Tabla 3. Ficha técnica del Módulo WI-FI. Fuente: http://download.arduino.org/products/UNOWIFI/0A-ESP8266-Datasheet-EN-v4.3.pdf. Sensor digital de luz BH1750 Voltaje de operación 3-5V Rango de medición 1 - 65535 lux Modos de operación 3 Low resolution mode Resolución 4 lux Low resolution mode Time 16 ms High resolution mode Resolución 1 lux High resolution mode Time 120 ms High resolution mode 2 Resolución 1 lux High resolution mode 2 Time 120 ms Tabla 4. Ficha técnica del sensor BH1750 compatible con Arduino. Fuente: http://saber.patagoniatec.com sensor-digital-de-luz-bh1750//. 2.1.2.3. Potenciómetro digital XPC103P de 10 kΩ Este potenciómetro digital se alimenta de una tensión de 5 V DC a través de una fuente externa, el control y variación de resistencia se hace a partir de las salidas de los pines digitales del microcontrolador Arduino mediante señales PWM (modulación por anchos de pulso), el potenciómetro cuenta con 100 posiciones, cada una de ellas con un valor de resistencia especifico. Se usan estos potenciómetros por su bajo consumo de potencia y su gran precisión (Intersil, 2016). En la Tabla 5 se evidencian los datos relevantes del potenciómetro.. 20.
(21) Potenciómetro digital X9C103P Voltaje de operación 5V Corriente de operación 4,4 mA Valor de taps 100 40 Ω Resistencia mínima Máxima resistencia 10 kΩ Tabla 5. Ficha técnica del potenciómetro digital. Fuente: http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/X/9/C/1/X9C103P.shtml. 2.1.2.4. Circuito optoacoplador Éste circuito conocido también como optointerruptor, es un esquema que permite, a través de un diodo LED y un receptor óptico, realizar la conmutación de un contacto dependiendo del estado de energización o desenergización del diodo LED. Este circuito optoacoplador permite realizar una mejor conmutación que si este se realizara a través de un relé, esto debido a que el relé genera fallas y problemas con las tierras. 2.1.2.5. Driver OSRAM OPTOTRONIC OT40W Este driver tiene una tensión de alimentación de 120 V AC y una corriente nominal de 0.44 A. Este nivel de tensión se obtiene directamente de la red residencial. La tensión de salida varía en un rango de 10 V DC a 55 V DC y una corriente de salida en un rango de 350 mA a 1050 mA. La potencia nominal de este dispositivo es de 40 W (OSRAM, 2016). Este driver realiza el control de iluminación por medio de modulación de anchos de pulso (PWM) y se puede modificar mediante una resistencia variable. Se evidencia la ficha técnica en la Tabla 6. Driver OSRAM OPTOTRONIC OT 40 Voltaje de operación 120 - 277 V AC Corriente 0,44 A Factor de potencia 0,90 - 0,95 Distorsión armónica total 10% Potencia 40 W Voltaje de salida 15 - 56 V DC Corriente de salida 350 - 1050 mA Tabla 6. Ficha técnica del driver OSRAM. Fuente: https://www.osram.com/osram_com/products/led-technology/electronic-control-gears-for-led-modules-anddimmers/outdoor-ecg-for-led-modules/constant-current-dimmable/optotronic597835/index.jsp. 21.
(22) 2.1.2.6. Luminaria LED 12 W Esta luminaria LED de 12 W de la marca SYLVANIA posee una tensión de alimentación de 85 V DC a 255 V DC y flujo luminoso nominal de 720 lm (SYLVANIA, 2017). La entrada de tensión de está luminaria está conectada a la salida de PWM del driver OSRAM que hace posible la dimerización de la luminaria. En la Tabla 7 se observan datos relevantes de la ficha técnica. Panel LED 12 W SILVANIA P24337 Voltaje 85 - 265 V Potencia 12 W Tipo LED Flujo luminoso 720 lm Clasificación IP 44 Ángulo de apertura 120° Color Blanco Tabla 7. Ficha técnica Luminaria LED de 12 W. Fuente: http://www.havells-sylvania.com.co/FICHASTECNICAS/PANEL%20LED/P24337%20%20P24612%20PANEL%20LED%20REDONDO%2012W%203K%20-%206K.pdf. 2.1.3. Recinto de mediciones En este lugar se realizaron las mediciones de iluminancia de la luminaria LED para determinar las características técnicas requeridas por el espacio en donde se ubica el sistema de control de iluminación. Este espacio que pertenece a la Universidad Distrital cuenta con las siguientes características, paredes las cuales permiten mediciones de iluminancia con un error en la medición mínimo, simula una habitación común, entre otras. En la Figura 3 se observa un esquema en el cual se presentan las especificaciones del recinto.. 22.
(23) Figura 3. Especificaciones del recinto de medida Fuente: Elaboración propia. 3. Desarrollo del sistema de control y resultados A continuación se realiza una descripción detallada de los procesos realizados para el desarrollo del sistema de control de iluminación LED. 3.1. Tipo de control Durante un análisis de los tipos de control que existen en la actualidad, se revisó cuál tipo es el más adecuado para el sistema que se va a utilizar en la luminaria LED. El microcontrolador Arduino controla la iluminación de un entorno, la magnitud física de iluminancia es convertida en una variable eléctrica a través de un sensor de luz, a partir del valor de referencia o iluminancia deseada y el dato captado, se determina la intensidad de luz necesaria para aplicar a la luminaria LED. En la Figura 4 se representa el diagrama de bloques del sistema de control.. 23.
(24) Figura 4. Diagrama de bloques del sistema de control de iluminación LED. Fuente: Elaboración propia.. 3.2. Caracterización de luminarias LED de 12 W Durante ésta prueba se realizó una medición simultánea de tensión y corriente para determinar la potencia demandada por las luminarias, se alimentó las luminarias con una fuente de corriente directa variable. En el primer ensayo solo se realizó la conexión de una luminaria LED, durante el segundo ensayo, fueron dos las luminarias conectadas en paralelo, de igual manera en el tercer ensayo se realizó la conexión en paralelo de tres luminarias LED de 12 W. Se realizó la medición de iluminancia con el luxómetro extech hd450, para los tres ensayos se mantuvo el luxómetro a la misma distancia de referencia la cual fue de 43 cm y la lectura solo se realizó sobre una luminaria, además, ésta medición se realizó en un ambiente en el cuál la iluminancia exterior se encontraba aislada. El esquema eléctrico de las mediciones se puede observar en la Figura 5.. Figura 5. Medición de características eléctricas de luminarias LED. Fuente: Elaboración propia.. 24.
(25) Se realizó ésta medición con el fin de determinar la iluminancia total a la potencia nominal de cada arreglo de luminarias, obteniendo los siguientes resultados:. Iluminancia 2500. Iluminancia [lx]. 2000 1 luminaria. 1500. 2 luminarias 3 luminarias. 1000. Lineal (1 luminaria) Lineal (2 luminarias). 500. Lineal (3 luminarias). 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. Corriente [mA] Figura 6. Curva de corriente vs iluminancia en luminarias LED de 12 W. Fuente: Elaboración propia.. En la Figura 6 se observa el comportamiento lineal que poseen las luminarias LED en cuanto a corriente vs iluminancia, esto se comprueba a través del coeficiente de correlación el cual para las gráficas es de 0.983, 0.989 y 0.992 respectivamente, con estos datos calculamos la potencia disipada por las luminarias a diferentes niveles de tensión y la iluminancia en cada uno de ellos a una distancia de referencia. El valor de iluminancia a potencia nominal se tomó como 2194 LUX con una corriente de 305,7 mA. Éste se convierte en nuestro valor de referencia como el 100% de iluminación. Además, es posible observar que al conectar las luminarias LED de 12 W en paralelo, y alimentar hasta llegar a consumir la potencia nominal de cada luminaria, no se llega al nivel de iluminancia nominal que proporciona la misma luminaria conectada sola. Por ejemplo, al conectar en paralelo dos luminarias LED se evidencia que solo llega al 93,4% de iluminación a potencia. 25.
(26) nominal; al conectar tres luminarias LED se evidencia que alcanza el 93,2% de iluminación, siendo una reducción bastante significativa respecto a la iluminancia de referencia. 3.3. Caracterización del driver Osram con potenciómetro análogo y potenciómetro digital X9C103P Durante ésta prueba se realizó la medición de iluminancia con el luxómetro extech hd450, para los tres ensayos se mantuvo el luxómetro a la misma distancia de referencia la cual fue de 43 cm y la medición de iluminancia solo se realizó en una luminaria. En el primer ensayo solo se realizó la conexión de una luminaria LED, durante el segundo ensayo, fueron dos las luminarias conectadas en paralelo, de igual manera en el tercer ensayo, se realizó la conexión en paralelo de tres luminarias LED de 12 W. En ésta prueba se realizó la dimerización de las luminarias con el driver Osram utilizando un potenciómetro análogo y el potenciómetro digital. El esquema eléctrico de las mediciones se observa en la Figura 7.. Figura 7. Caracterización del driver OSRAM en luminarias LED. Fuente: Elaboración propia.. Con esta prueba se realizó la dimerización de las luminarias, primero con un potenciómetro análogo con el cuál se pudo dimensionar el valor de resistencia máxima, necesaria para dimmerizar al 100% las luminarias; y luego, con un potenciómetro digital el cual es controlado por el Arduino.. 26.
(27) En la Figura 8 se observa el comportamiento de las luminarias al ser controladas con el driver. La relación entre la resistencia y las luminarias LED no tiene un comportamiento lineal. Como se observa en la Figura 8 se determinó que el valor del potenciómetro para controlar dos luminarias LED está alrededor de 25 kΩ y para tres luminarias de 50 kΩ, sin embargo no es posible adquirir este tipo de potenciómetro debido a que no es un dispositivo comercial en Colombia. Para el sistema de iluminación, no es posible realizar control sobre dos o tres luminarias debido a limitaciones del mercado colombiano, esto a que es necesario la adquisición de un potenciómetro digital de 50 kΩ el cual no es comercial en el país.. Iluminancia 2500. Iluminancia [lx]. 2000 1500. 1 luminaria 2 luminarias. 1000. 3 Luminarias. 500 0 0. 10000. 20000. 30000. 40000. 50000. Resistencia [Ω] Figura 8. Curva de resistencia vs iluminancia en luminarias LED de 12 W. Fuente: Elaboración propia.. En la Figura 9 se observa la dimerización con el potenciómetro digital de 10 kΩ. Se infiere que al conectar dos luminarias en paralelo y mantener el mismo valor de resistencia, solo se puede llegar a dimmerizar las luminarias hasta un 60,5%. Además si se conectan tres luminarias en paralelo manteniendo el potenciómetro en 10 kΩ solo se llega tan solo al 49,8% de iluminación. Esto se deba a que el driver está diseñado para controlar solo una luminaria y está dimensionado 27.
(28) para 40 W, al conectar varias luminarias y ser una carga menor a la nominal causa este problema de funcionamiento.. Iluminancia 2500. Iluminancia [lx]. 2000 1500. 1 luminaria 2 luminarias. 1000 500 0 0. 2000. 4000. 6000. 8000. 10000. Resistencia [Ω] Figura 9. Dimerización de luminarias con un potenciómetro digital de 10 kΩ Fuente: Elaboración propia.. Con base en estos resultados se decide realizar el control de iluminación LED en sólo una luminaria, puesto que no es viable realizar el control sobre dos o tres luminarias con este driver haciendo necesario el uso de elementos que no son accesibles en el país 3.3.1. Tratamiento matemático de las señales Se realizó la parametrización de la curva para una sola luminaria y se halló el modelo matemático que describa su comportamiento, en la Figura 10 se observa esta curva. Esto se realiza con el fin de utilizar la función de la curva en el desarrollo del programa de Arduino.. 28.
(29) Iluminancia. 2500. Iluminancia [lx]. 2000 1500 1 luminaria. 1000 500 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. 9000. 10000. Resistencia [Ω] Figura 10. Curva suavizada de resistencia vs iluminancia en una luminaria LED de 12 W. Fuente: Elaboración propia.. Para el sistema de control de iluminación LED sólo se utiliza la parte de la función que es logarítmica desde 579 LUX en adelante debido a que este es el mínimo valor desde el cual comienza a dimmerizar la luminaria en un valor cercano al 25%. El factor de correlación de la señal sin suavizar es de 0,9977 y con la línea suavizada es de 0,9981. Solo basta realizar una conversión a porcentaje para obtener el valor con el cual se va a trabajar en la plataforma de Arduino y el cual se va a programar. Esta conversión se hace tomando como referencia el valor de iluminancia nominal que hallamos en las pruebas anteriores el cual es 2194 LUX y se observa en la ecuación 2. 𝐿(%) =. 𝐿(𝑟) ∗ 100% 2194. (2). A continuación en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se presentan las ecuación de resistencia en función de la iluminancia en luminarias LED.. 𝑅(𝑙) =. 𝐿 − 576 576 < 𝐿 < 579 0,00122609122 𝐿+7366,2 𝑒 1028,6. 579 < 𝐿. 29. (3).
(30) 3.4. Desarrollo código de programación en Arduino Para desarrollar el código de Arduino se tuvo en cuenta los datos obtenidos anteriormente, estos datos de la ecuación 3 de resistencia en función de iluminancia, esta es necesaria para controlar el potenciómetro digital mediante señales de PWM. Además, fueron necesarios los datos porcentuales de iluminación en una luminaria, es decir, el valor de resistencia en los cuales se obtienen los niveles porcentuales característicos de 25%, 50%, 75% y100%. Por otra parte, se controla el relé magnético mediante una salida digital; con esto teniendo un tiempo de respuesta muy rápido en la parte de energización y desenergización del driver, mientras tanto en el modo automático en el cual se mantiene la iluminancia deseada de acuerdo a las condiciones de luz exterior, se utilizó el sensor de luz BH1750 proporciona dos variaciones de tensión y con estas se obtiene el nivel de iluminación captada, este dato es necesario para definir el valor de iluminación deseada y establecer el set point del sistema, este dato es importante para controlarlo a través de las variaciones de las posiciones del potenciómetro digital, todas estas funciones que controlan el sistema son recibidas mediante un módulo WI-FI ESP8266 el cual realiza una comunicación serial con el microcontrolador Arduino a una velocidad de 12600 baudios garantizando un nivel de velocidad aceptable de recepción de datos. Con todos estos elementos es posible establecer un control aceptable sobre las luminarias LED tan solo es necesario conectarse a una red WIFI y manejar el sistema mediante la aplicación móvil para Android. En la Figura 11 se observa el diagrama de flujo del código de Arduino.. 30.
(31) Figura 11. Diagrama de flujo del código de Arduino. Fuente: Elaboración propia.. 31.
(32) 3.5. Desarrollo código de programación de aplicación móvil La programación de la aplicación móvil se realizó en la plataforma “App Inventor 2”, esta plataforma es desarrollada por estudiantes del MIT “Intituto Tecnológico de Massachussetts”, es un software que permite un fácil desarrollo de aplicaciones móviles compatibles con el sistema Android sin usar código de programación en Java. La interfaz permite al usuario, a través de arrastrar y unir bloques de funciones, programar la aplicación de manera intuitiva y de forma visual, todo esto sin usar una línea de código. “El editor de bloques utiliza la biblioteca Open Blocks de Java para la creación de lenguajes de programación visuales” (Ramírez, 2017). La aplicación móvil para el sistema de control posee dos modos de uso. El primero designado “modo manual”, se encarga y permite al usuario controlar las luminarias a propio gusto, desde el encendido y apagado de la luminaria, pasando por la variación de intensidad luminosa a cualquier valor además de unos valores ya preestablecidos. El segundo modo de uso designado “modo automático” permite al usuario regular la intensidad luminosa al valor deseado, sin embargo, permite guardar este valor de iluminación para controlar y regular la luminaria, es decir, si la iluminación exterior disminuye, el microcontrolador dará la orden de aumentar la intensidad luminosa; por otro lado, si la iluminación exterior aumenta, el microcontrolador dará la orden de disminuir la intensidad luminosa en la luminaria. Finalmente, la aplicación móvil permite configurar la dirección IP y el nombre de la luminaria a gusto del usuario, esta configuración puede realizarse para 4 luminarias diferentes, presentando un margen de control más amplio. En la Figura 12 Se observa el diagrama de flujo correspondiente a la aplicación móvil.. 32.
(33) Figura 12. Diagrama de flujo de la aplicación móvil.. Fuente: Elaboración propia.. 33.
(34) Figura 13. a) Modo manual de la aplicación, b) Modo automático de la aplicación. Fuente: Elaboración propia.. Finalmente se presenta en la Figura 13 una imagen que muestra la interfaz de la aplicación móvil en un dispositivo Android. En la parte A se puede observar el modo manual en el cual se pueden establecer los rangos de atenuación de la luminaria ya predeterminados, y con la barra deslizable cualquier valor al que se desee ajustar. En la parte B se observa el modo automático en el cual se puede dimmerizar la luminaria y establecer el Set Point del sistema. Cabe resaltar que esta aplicación es compatible con cualquier versión de Android.. 34.
(35) 3.6. Circuito de control En la Figura 14 se observa el circuito implementado en el sistema de control de iluminación LED para luminarias de 12 W.. Figura 14. Diagrama circuito de control. Fuente: Elaboración propia.. 3.7. Características del recinto de instalación del sistema de control Debido a la baja potencia de estas luminarias, y al diseño compacto especializado para aplicaciones de uso residencial y comercial se recomienda hacer uso en espacios cerrados con un. 35.
(36) área menor o igual a 10 m2. Durante la instalación del sensor, se recomienda hacerlo a una altura mayor o igual a 1,8 m, de igual manera se debe garantizar que su instalación sea en un lugar en el cual no se interponga algún objeto entre el sensor y la fuente de luz, además, se sugiere la instalación del sensor con un ángulo de incidencia que oscile entre 30° y 60° lo cual permite una mejor recepción de datos del sensor. Se recomienda instalar el sensor en la superficie opuesta o superficies contiguas a la ubicación de alguna ventana. La consideración técnica del tamaño del recinto se hace de acuerdo al RETILAP, en el cual define la unidad de medida de iluminancia LUX como el valor de 1 LUMEN sobre metro cuadrado que se observa en la ecuación 4 (RETILAP, 2016). 𝐿𝑈𝑋 = 1 [. 𝑙𝑚 ] 𝑚2. (4). Teniendo en cuenta la ficha técnica de la luminaria, la cual indica un valor de 720 lúmenes nominales. Para una superficie de 10 m2 la iluminancia tiene un valor de 72 LUX. 3.8. Resultados sistema de control A continuación se presentan los resultados del prototipo de sistema de control de iluminación LED dimerizable en una luminaria. 3.8.1. Ubicación del sensor En la Figura 15 se observa las curvas de los rangos de detección del sensor. Estos fueron ubicados a diferentes alturas (el primero a 2 m de altura y el segundo a 1,55 m, ambos con una distancia horizontal respecto a la luminaria de 1 m) en paredes contiguas a una fuente de iluminación externa, por ejemplo una ventana, además, los sensores fueron ubicados sobre la pared. La luminaria estaba ubicada a una altura de 2,4 m. Se realizaron dos pruebas, la primera en la cual la única fuente de luz era la luminaria controlada, y la segunda prueba se realiza con una fuente de luz exterior arrojando los siguientes resultados: 36.
(37) Iluminancia en un recinto 160 140. Iluminancia [lx]. 120 100. Sensor 1 sin fuente exterior. 80. Sensor 2 sin fuente exterior. 60 40. Sensor 1 con fuente exterior. 20. Sensor 2 con fuente exterior. 0 0. 2000. 4000. 6000. 8000. 10000. Resistencia [Ω] Figura 15. Curvas de rangos de detección del sensor. Fuente: Elaboración propia.. Como se observa en la Figura 16 las curvas de los rangos de detección del sensor. Estos fueron ubicado a diferentes alturas (el primero a 2 m de altura y el segundo a 1,55 m, ambos con una distancia horizontal respecto a la luminaria de 1 m) en paredes contiguas a una fuente de iluminación externa, por ejemplo una ventana, además, los sensores fueron ubicados sobre la pared con un grado de inclinación aproximado de 45°. Se realizaron dos pruebas, la primera en la cual la única fuente de luz era la luminaria controlada, y la segunda prueba se realiza con una fuente de luz exterior. La luminaria estaba ubicada a una altura de 2,4 m. Se evidencia que al ubicar los sensores con cierto grado de inclinación, la diferencia que genera una ubicación diferente de los sensores se reduce en cerca del 30%.. 37.
(38) Iluminancia en un recinto 90 80. Iluminancia [lx]. 70 Sensor 1 sin fuente exterior. 60. sensor 2 sin fuente exterior. 50 40. Sensor 1 con fuente exterior. 30. Sensor 2 con fuente exterior. 20 10 0. 2000. 4000. 6000. 8000. 10000. Resistencia [Ω]. Figura 16. Curvas de rangos de detección del sensor. Fuente: Elaboración propia.. 3.8.2. Datos esperados En esta prueba se realizó la medida de iluminación obtenida a través del sistema de control de iluminación LED controlado desde el celular, en la Tabla 8. Mediciones sistema de control LED se reflejan estos resultados. Porcentaje de iluminación %. Valor esperado [lx]. Valor medido [lx]. Error %. 25 50 75 100. 549 1097 1646 2194. 562,5 1125 1692 2215. 2,5 2,6 2,8 1,0. Tabla 8. Mediciones sistema de control LED Fuente: Elaboración personal.. El cálculo de error se hizo a través de la ecuación 5: 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 % =. 𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 − 𝑉𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜. (Rodríguez, 2011) 38. (5).
(39) 4. Conclusiones . Este proyecto permite concluir que es posible realizar un sistema de control de iluminación LED dimerizable alternativo, el cuál es más económico y con mayor flexibilidad al proporcionar una comunicación vía WI-FI con el usuario. Esto permite al usuario a través de una interfaz amigable y dinámica, realizar el control de iluminación en un espacio con las características descritas para aplicaciones tanto residenciales como comerciales.. . Se evidencia que al conectar las luminarias LED de 12 W en paralelo, y alimentas hasta llegar a consumir la potencia nominal de cada luminaria, no se llega al nivel de iluminancia nominal que proporciona la misma luminaria conectada sola. Por ejemplo, al conectar en paralelo dos luminarias LED se evidencia que solo llega al 93,4% de iluminación a potencia nominal; al conectar tres luminarias LED se evidencia que alcanza el 93,2% de iluminación, siendo una reducción bastante significativa respecto a la iluminancia de referencia. Si el sistema de control llega a dimmerizar cada luminaria al 100% de iluminación el cual sería 2194 LUX se estaría sobrecargando las luminarias LED.. . Este sistema de control permite dimmerizar cualquier tipo de luminaria LED que posea el driver externo a ella, siempre y cuando se realice la caracterización de la luminaria y se obtenga la curva de resistencia en el driver versus iluminación de salida, se recomienda realizar un estudio del comportamiento de luminarias LED de diferente potencia y hallar la curva característica de cada una para dimensionar el sistema de control de cada una de ellas.. . A través de la caracterización de las luminarias, es posible dimensionar el potenciómetro para diferentes luminarias, por lo tanto, para una luminaria LED de 12 W el valor del. 39.
(40) potenciómetro debe ser 10 kΩ, para dos luminarias LED de 12 W el valor del potenciómetro debe ser 50 kΩ, finalmente para tres luminarias LED de 12 W el valor del potenciómetro debe ser 50 kΩ. . Mediante este sistema de control de iluminación LED alternativo se solventan algunas de las falencias que presenta el sistema comercial DALI, en el cual se ve sujeta a una distancia máxima de 300 m entre el controlador y la luminaria a controlar. Para nuestro sistema la distancia se ve sujeta a la distancia del router que suministra la señal de WI-FI. Por otro lado, el sistema DALI controla un máximo de 64 luminarias, en nuestro caso, solo basta configurar la dirección IP de cada grupo de luminarias, teniendo un alto margen de sistemas a controlar en casa, en el trabajo u otros lugares, siendo un sistema más flexible. 5. Bibliografía. Arduino.. (2016).. Arduino.. Obtenido. de. Arduino:. https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno Cesár, u. d. (2017). Sistemas de control de iluminación. Obtenido de Sistemas de control de iluminación:. http://grlum.dpe.upc.edu/manual/sistemasIluminacion-. sistemasDeControl.php Energias, M. d. (2010). Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público. Bogotá: Poligrama. Hussain, S., Azah, M., & M A, H. (2012). An Analysis of Harmonics from Dimmable LED Lamps. International Power Engineering and Optimization Conference , 82-86. Ibarra Pereyra, M., & Rojas Anzaldo, L. (5 de Marzo de 2013). Repositorio UNAM. Obtenido de Repositorio. UNAM:. http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/739/A5%2 40.
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(42) 6. Apéndice Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 1. Descripción materiales Tarjeta Arduino uno Sensor de Iluminancia BH1750 Módulo de comunicación ESP8266 Potenciómetro digital X9C103P Fuente 12 V DC Regulador de voltaje 12 V DC - 5 V DC – 3.3 V DC Circuito Optoacoplador Diodo 1N9001 Total. $ $ $ $ $ $ $ $ $. Tabla 9. Costos asociados al sistema de control de iluminación LED Fuente: Elaboración propia. 42. Valor 27.000 8.000 10.000 6.500 8.000 15.000 1.500 100 78.100.
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