Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica

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(1)N° tesis:. PROYECTO DE GRADO Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELECTRÓNICO Por. David Andrés Sánchez Sarmiento. DISEÑO DE UNA RED INALÁMBRICA DE SENSORES (WSN) PARA MONITOREO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Sustentado el día 13 de Diciembre del año 2011 frente al jurado:. Composición del jurado -. Asesor:. Néstor M. Peña Traslaviña, Universidad de Los Andes. -. Jurado:. Juan Carlos Bohórquez, Universidad de Los Andes.

(2) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 2. Contenido 1 2. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 3 OBJETIVOS .............................................................................................................. 3 2.1 Objetivo General ............................................................................................... 3 2.2 Objetivos Específicos ........................................................................................ 3 2.3 Alcance y productos finales ............................................................................. 3 3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO4 4 MARCO TEÓRICO ................................................................................................. 4 4.1 Marco Histórico................................................................................................. 4 4.2 Marco Conceptual ............................................................................................. 5 4.2.1 Sistema de distribución de energía eléctrica................................................... 5 4.3 Investigaciones Previas y Relacionadas .......................................................... 6 4.3.1 WAMR (Wireless Automated Meter Reading) ............................................. 6 4.3.2 5. Monitoreo Remoto del Sistema Eléctrico y Aplicaciones tipo SCADA .......... 7. DESCRIPCION DE LA METODOLOGIA DE TRABAJO .................................... 8 5.1 Pautas para el diseño de la red de sensores .................................................... 8 6 DISEÑO DE LA RED DE SENSORES.................................................................. 10 6.1 Selección del sistema operativo para los nodos de la red de sensores ....... 10 6.2 Selección de la referencia comercial del nodo (mote) que se usará en la red de sensores ................................................................................................................. 14 6.3 Estudio del protocolo de comunicaciones a utilizar .................................... 17 6.4 Selección del tipo de alimentación para los nodos ....................................... 17 6.5 Posibles sensores que se podrían conectar al nodo ...................................... 23 6.6 Condiciones de Instalación de los nodos ...................................................... 27 6.7 Ubicación espacial de los nodos .................................................................... 31 6.8 Diseño del algoritmo del esquema de recolección y transmisión de los datos .......................................................................................................................... 33 7 RESULTADOS OBTENIDOS PARA EL DISEÑO DE LA RED ......................... 42 7.1 Simulaciones de la red usando ContikiOS .................................................... 43 7.2 Evaluación Económica del Proyecto ............................................................. 48 8 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ........................................................... 51 9 AGRADECIMIENTOS .......................................................................................... 53 10 REFERENCIAS ...................................................................................................... 53 11 APENDICES .......................................................................................................... 58 11.1 Apéndice A: Algoritmo de recolección y agregación de datos en redes LT (basado en el esquema ALT) .................................................................................... 58 11.2 Apéndice B: Breve tutorial de uso de ContikiOS ......................................... 66.

(3) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica 1. 3. INTRODUCCIÓN Con el fin de optimizar el sistema de distribución de energía eléctrica, se plantea un diseño de una red inalámbrica de sensores que se encargue de recolectar datos concernientes al mismo sistema. En este trabajó se realizó un diseño básico de una red de sensores teniendo en cuenta varios aspectos importantes para la misma, como lo son la plataforma tecnológica de los nodos, el sistema operativo para los mismos, las condiciones de instalación de la red y los posibles sensores que podrían usarse para la misma. El documento se divide en dos partes principales: la primera parte expone el proceso de diseño de la red especificando todas las decisiones tomadas. La segunda parte evalúa el diseño propuesto en términos económicos y de oportunidades de mejora en el desempeño de la misma en términos de recolección y transmisión de datos. En este sentido, se presenta el diseño de una versión de un nuevo esquema de agregación y recolección de datos en una red de sensores. Se espera que este documento sea la base para la futura implementación de la red.. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Diseñar una red inalámbrica de sensores con el fin de monitorear diferentes parámetros importantes en los sistemas de distribución de energía eléctrica, tales como temperatura, consumo de potencia, voltaje, corriente o estado de los contadores. 2.2 Objetivos Específicos Consolidar un documento en donde quede explicito el diseño de la red, así como todas las especificaciones necesarias para una futura implementación. Elaborar un estudio conciso sobre los mejores recursos a utilizar en cuanto a software y hardware para la implementación del diseño realizado. Realizar un análisis sobre la posibilidad o la viabilidad de la implementación del diseño obtenido, basado en resultados de simulaciones sobre las métricas estipuladas en el diseño y en una evaluación económica del proyecto. 2.3 Alcance y productos finales El alcance de este proyecto va solamente hasta el diseño de la solución. Sin embargo este diseño será acompañado por una documentación clara sobre todas las especificaciones necesarias para una posible futura implementación (planos de diseño, lista de materiales, especificaciones de los equipos y componentes y presupuesto). En resumen se tendrán en cuenta los siguientes aspectos:.

(4) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 4. 1. Diseño general de la red. 2. Escogencia de los nodos de la red teniendo en cuenta requerimientos software (Sistema operativo del micro controlador de cada nodo, plataforma de desarrollo de los algoritmos, algoritmos utilizados para los nodos, etc.) y hardware (Referencia de los nodos a utilizar, ventajas y desventajas entre referencia y fabricantes, etc.). 3. Presupuesto. De esta forma, si en el futuro se desea implementar esta aplicación, documento entregado será la guía para desarrollar el proyecto. 3. el. DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO Durante los últimos años, se ha comenzado a ver la necesidad de mejorar el sistema de distribución de energía eléctrica. El uso de redes inteligentes (Smart Grids), las cuales involucran aplicaciones informáticas y de comunicaciones, ha venido tomando gran auge pues de esta manera es posible optimizar el proceso de distribución. Sin embargo, el monitoreo de parámetros propios de la red de distribución, tales como voltaje y corriente en las líneas, temperatura o presión [2], es necesario para el proceso de mejora de la distribución de energía eléctrica. En el marco de este problema se plantea diseñar un sistema de monitoreo para estos parámetros y otros relacionados con información del consumo de los clientes y el estado de los quipos, basado en topologías de redes de sensores inalámbricos, buscando aprovechar los beneficios que estos sistemas son capaces de proveer, tales como bajo consumo de energía, transmisión de datos por medio inalámbrico, bajo costo para aplicaciones a gran escala y simplicidad en su implementación.. 4. MARCO TEÓRICO. 4.1. Marco Histórico. El auge de las comunicaciones inalámbricas en estos últimos años ha cambiado radicalmente la forma de transmisión de datos dentro de cualquier contexto. La evolución de los sistemas de comunicación ha facilitado la conectividad entre las personas y también entre los principales sistemas tecnológicos, tales como las redes de transmisión y distribución de energía eléctrica, y los sistemas aeronáuticos, navales y militares. De la misma forma, la evolución de las comunicaciones ha mejorado el monitoreo de estos sistemas. En cuanto a la distribución de la energía eléctrica, se hace necesario poder controlar de manera.

(5) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 5. mucho más automatizada variables importantes, como voltaje, corriente, temperatura, presión, o inclusive el estado de los contadores [2]. A mediados de la década de 1960, se vio la necesidad de realizar un monitoreo de las redes eléctricas para poder después ejercer control sobre los parámetros medidos. En esa época se contaba con un sistema de adquisición de datos denominado SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition). Este esquema se basaba en la adquisición de datos y su posterior envió a una central para poder ser procesados y controlados. En sus inicios, estos sistemas eran cerrados y se diseñaban particularmente a las empresas o industrias que los necesitaran. A medida que evolucionaban, se volvieron más flexibles y la misma evolución tecnológica brindó más posibilidades de mejora para el sistema SCADA [3]. Hoy en día, estos sistemas siguen siendo muy usados, pero presentan grandes problemas de centralización de los datos y de procesamiento de los mismos, además de que presentan poca flexibilidad [2]. Una solución importante que se está usando actualmente es el uso de PMU’s o Unidades de Medición Fasorial. Estos dispositivos permiten medir las variables en magnitud y fase. Para hacer esto posible, cuentan con una referencia de tiempo y de acuerdo a esta referencia miden el voltaje con una frecuencia de 50 o 60 registros por segundo. Con la ayuda de estos dispositivos, es posible desarrollar sistemas de medición de áreas amplias (WAMS) [3]. Estos sistemas son totalmente integrados y cuentan con varias partes que involucran el uso de redes de telecomunicaciones y sistemas GPS. Por su naturaleza de medición de grandes áreas, estos sistemas no son compatibles con el propósito definido en el problema de este proyecto. En este proyecto se quiere desarrollar una red inalámbrica local de sensores, aplicada en las redes de distribución de energía eléctrica. 4.2. Marco Conceptual. 4.2.1 Sistema de distribución de energía eléctrica Una red de distribución se caracteriza por contar con una subestación la cual está compuesta por transformadores que usualmente bajan el nivel de voltaje. Dependiendo del tipo de usuario y sus requerimientos energéticos, existen varios niveles de voltaje para las líneas de transmisión de baja y media tensión. Sin embargo, toda la red tiene como nodo principal la subestación y los alimentadores se prolongan a lo largo de la red para conectar a cada usuario. La figura 1 muestra un esquema general de la distribución de energía eléctrica en un sector local..

(6) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 6. Como se puede ver, el esquema tiene forma de árbol, con raíz en la subestación. Aprovechando este esquema de organización, se puede diseñar una red de sensores sobre la misma red de distribución de energía eléctrica. La idea es colocar los nodos de la red a lo largo del sistema de distribución. Este tipo de esquemas de ubicación de nodos es conocido como LT (Long-Thin) Pues cada nodo está ubicado en fila y sólo tiene un padre.. Usuarios residenciales Usuario Comercial. Usuario industrial. Subestación. Línea de transmisión de alta tensión. Fig. 1. Esquema básico de una red de distribución de energía eléctrica. Basado en el capítulo 1 de [33]. 4.3. Investigaciones Previas y Relacionadas Durante los últimos 6 años se ha venido proponiendo el desarrollo de aplicaciones WSN para la automatización del sistema eléctrico, es decir, integrar estos sistemas para que formen parte en el futuro de las redes inteligentes o Smart Grids. Investigaciones realizadas plantean las siguientes posibles aplicaciones para la automatización del sistema eléctrico ([4] a [6]).. 4.3.1 WAMR (Wireless Automated Meter Reading) El proceso de medición del consumo de energía eléctrica actualmente se basa en el uso de contadores mecánicos en su mayoría que en ciertos sectores no han.

(7) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 7. sido actualizados e incluso hoy tienen que ser leídos por personal de la compañía prestadora del servicio público. La empresa comercializadora de la energía podría ahorrarse dinero en personal encargado de leer los medidores, instalando un sistema de lectura inalámbrica y automática conectada a la central de procesamiento de la compañía. Inclusive, este sistema podría estar conectado a Internet y el mismo usuario podría ver su consumo, evitando así, realizar gastos en impresión de facturas [4]. El beneficio seria mutuo tanto para la compañía como para el usuario. Usando una red de sensores inalámbrica enfocada en este servicio se estaría ahorrando dinero y energía. 4.3.2 Monitoreo Remoto del Sistema Eléctrico y Aplicaciones tipo SCADA En este sentido, se sugiere desarrollar aplicaciones basadas en WSN’s que tengan como objetivo el monitoreo y la adquisición de datos referentes al sistema de distribución de energía eléctrica. De igual forma, las aplicaciones tipo SCADA se sugieren en relación al mejoramiento del servicio de energía eléctrica tanto para usuarios residenciales e industriales. Usar nodos inalámbricos permitiría disminuir la frecuencia de apagones en respectivos sectores residenciales si los nodos son capaces de alertar a la compañía sobre problemas potenciales en la red de distribución. Así mismo, usar nodos inalámbricos para monitorear de manera remota y en línea los diferentes elementos de una red eléctrica, como lo pueden ser generadores, motores, líneas de transmisión o transformadores puede ayudar a reducir costos de mantenimiento para las empresas involucradas en estos procesos. Tener un sistema capaz de realizar estas funciones podría ahorrar grandes cantidades de dinero, como por ejemplo, el apagón del 2003 en Estados Unidos y Canadá, el cual dejó cerca de 50 millones de personas sin electricidad y causó pérdidas cercanas a los 10 billones de dólares [4]. Aunque son muchas las propuestas y oportunidades para las aplicaciones WSN dentro de sistemas relacionados a la energía eléctrica, las implementaciones de aplicaciones más bien son pocas. Un ejemplo es implementación de una red de sensores para monitorear el consumo de energía en un edificio [7], en el cual se hace una implementación particular de una red unidireccional centralizada capaz de recolectar datos relacionados al consumo de energía en un edificio de oficinas. De igual forma, en la ciudad de Génova, Italia se realizó la prueba de un diseño propuesto para medir consumo de potencia en un área comercial Metropolitana determinada [8]. Dentro del diseño se propone la implementación de un control por Internet mediante una interfaz web que puede estar incluida en los nodos por medio de su sistema operativo o por un stack de comunicaciones basado en IP..

(8) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 8. En la Universidad de los Andes no se ha desarrollado ningún proyecto en relación a la integración de aplicaciones WSN para automatización de sistemas eléctricos, a excepción de la referencia [9] que plantea el diseño de una red de telecomunicaciones de acuerdo con los requerimientos establecidos para redes inteligentes que vinculan la generación distribuida. En relación a trabajos con redes de sensores en la Universidad de los Andes, las referencias [10] a [15] muestran investigaciones realizadas para optimizar las características que tienen tanto los nodos como la red misma. La idea de este proyecto es juntar varios resultados importantes que se han obtenido para de esta forma desarrollar una red eficiente. 5. DESCRIPCION DE LA METODOLOGIA DE TRABAJO La metodología de desarrollo para este proyecto se basa en realizar un diseño fundamentado en la selección de los diferentes componentes de la red. Luego de realizar este diseño, se pasa a una etapa de simulación de la red con el sistema operativo seleccionado para evaluar su desempeño y discutir las oportunidades de mejora si se implementa el algoritmo planteado en la sección 6.8. Finalmente, se realiza una evaluación económica del proyecto. A continuación se explicaran las pautas de diseño tenidas en cuenta para completar este proyecto. 5.1 Pautas para el diseño de la red de sensores Selección del sistema operativo para los nodos de la red. Es necesario utilizar un sistema operativo especializado en redes de sensores en el que se puedan aprovechar y facilitar las diversas funcionalidades que tiene el hardware incorporado en el nodo. Se deben estudiar todas las posibilidades de OS (Operating System) en el mercado y de acuerdo con los servicios que tengan y las ventajas en su implementación. Los criterios de decisión serán facilidad de implementación, tipo de comunicación, soporte en relación a simuladores y servicios que presta el mismo sistema operativo, como lo son métodos de reducción del consumo de potencia. Selección del hardware (referencia de los nodos) compatible con el sistema operativo escogido. No todos los nodos que venden en el mercado funcionan con cualquier sistema operativo, o más bien, no todos los sistemas operativos son implementables en los nodos comerciales. Luego de escoger el sistema operativo, se debe decidir que plataforma comercial que sea soportada por este OS debe ser la escogida. Por esta razón se debe escoger un nodo cuya relación costo beneficio sea la indicada para la aplicación que vamos a realizar. Los criterios de decisión serán el alcance de los nodos, el.

(9) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 9. costo y el consumo de potencia relacionado a la corriente máxima demandada por el dispositivo. De igual forma el dispositivo debe ser capaz de cumplir con todas las tareas que se le programen, como son transmisión de datos, procesamiento y recolección. Estudio del protocolo de comunicaciones a utilizar. En la actualidad existen varios protocolos de comunicaciones inalámbricas y algunos especializados en redes de sensores y comunicaciones a corta distancia. Entre los estándares más conocidos están Zigbee y SimpliciTI. Este último se ha diseñado recientemente para aplicaciones de monitoreo y domótica. Se deben estudiar dichos protocolos (u otros) y evaluar cuál es el mejor. Selección del tipo de alimentación para los nodos. Se debe decidir que método para cargar baterías o alimentar los nodos es el mejor siguiendo criterios de costo, rendimiento y facilidad en la implementación del mismo. De igual forma se debe evaluar la posibilidad de alimentar los nodos mediante el mismo sistema eléctrico. Posibles sensores que se podrían conectar al nodo. Dependiendo de la aplicación que se tenga para la red, es importante poder saber que sensores se necesitarían para medir los distintos parámetros. Por este motivo, se debe hacer un estudio de que sensores se pueden conectar a la red y como sería la conexión de los mismos. Condiciones de instalación de los nodos. Se debe definir cómo va a estar instalado un nodo. En este sentido se debe describir la caja que lo protegerá si es necesario, y también se deberá mostrar un esquema básico de cómo debería estar instalado un nodo sobre el sistema de distribución eléctrico. De igual forma, se deben mostrar los diagramas de conexión de los nodos, los sensores y la alimentación. Ubicación espacial de los nodos. Se debe decidir a qué distancia va a estar cada nodo de acuerdo con las especificaciones de alcance que tiene el mismo dispositivo y el mismo protocolo de comunicaciones. Es importante saber esto para poder ahorrar en cantidad nodos y en redundancia innecesaria de información. También es importante tomar una buena decisión en este sentido para no cometer errores de terminales expuestos o escondidos (alcance de cada nodo). En esta etapa se debe mostrar un ejemplo real de una posible distribución de la red de acuerdo a algún diagrama de distribución de energía eléctrica..

(10) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 10. Diseño del algoritmo del esquema de recolección y transmisión de los datos. Tomando como base en el algoritmo de la referencia [1], se debe hacer un diseño que se ajuste al problema y que se pueda implementar en el sistema operativo seleccionado como una aplicación del mismo. Todas las decisiones aquí tomadas deben tener una relación costo-beneficio acorde con las necesidades del problema. Es decir, debe ser la mejor solución al mismo y debe ser en lo posible económica. Dicho esto, se procede a explicar cada decisión tomada en relación a cada pauta expuesta anteriormente. 6. DISEÑO DE LA RED DE SENSORES Como se mencionó anteriormente, de acuerdo a las pautas establecidas para el diseño de la red, se mostrará el diseño de la misma justificando las decisiones tomadas en cada paso.. 6.1. Selección del sistema operativo para los nodos de la red de sensores Un dispositivo (nodo) WSN es un sistema embebido que ofrece muchas funcionalidades. En general, consta de un módulo de sensado, uno de interfaz I/O, una memoria, un procesador, un dispositivo de transmisión a radio frecuencia, y una batería que le brinda la energía necesaria para funcionar [16]. Administrar estos módulos de manera eficiente, además de poder manejar diversas aplicaciones que se lleguen a implementar en estos dispositivos deben ser tareas fundamentales de un sistema operativo. Actualmente, varios proyectos educativos en varias universidades del mundo han desarrollado diferentes implementaciones de sistemas operativos para sistemas embebidos del tipo WSN. Con base en estos sistemas operativos se hará una selección del sistema operativo que por diferentes razones (que se explicaran en detalle a continuación), será aquel que brinde mejores resultados a la hora de implementar la red de sensores que se va a utilizar. Varios documentos previos a este han tratado de organizar los diversos sistemas operativos existentes, según la aplicación a la que mejor se pueden acomodar basados en los servicios que estos mismos proveen. La referencia [17] presenta un estudio conciso de los diferentes sistemas operativos que había para la época (2007). Muchos de ellos dejaron de desarrollarse debido a que eran proyectos de investigación de estudiantes universitarios que para esta época ya no hacen parte de sus respectivas universidades. En este estudio, se evaluaron parámetros importantes en relación a arquitectura del sistema, reconfiguración, planeación de tareas, manejo de consumo de.

(11) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 11. potencia y posibilidades de simulación de las aplicaciones desarrolladas. De igual forma, se clasificaron los sistemas operativos en relación al tipo de aplicaciones en las que pueden ser mejores (monitoreo de ambiente interior o exterior, salud, militar, industria). La aplicación de esta red de sensores es Monitoreo Exterior de variables eléctricas de los sistemas de distribución de energía. Por esta razón, se sugieren los sistemas operativos SOS, Mantis OS, Contiki OS y TinyOS. A continuación se explicarán brevemente cada uno de estos sistemas operativos junto con sus servicios. Las explicaciones detalladas de estos sistemas operativos se encuentran en sus respectivas páginas web y en las referencias [12] y [17]. SOS Es un sistema operativo desarrollado en UCLA (University of California, Los Angeles) enfocado a redes de sensores. Presenta reconfiguración dinámica en relación a servicios de red y aplicaciones [12]. Tiene un núcleo (kernel) que implementa las funcionalidades principales (carga y descarga de módulos y aplicaciones, mensajería, concurrencia). Las aplicaciones que se desarrollen se ejecutan como módulos en el kernel. Estas mismas se desarrollan en lenguaje C. En relación al manejo del consumo de potencia, no hay una implementación explícita de algún módulo que se encargue de esta parte [17]. El problema principal de este sistema operativo es que ya no se encuentra en desarrollo. Debido a esto, es difícil encontrar soporte sobre el mismo. La recomendación que se da en la página web de este OS es usar otro sistema operativo para el desarrollo de aplicaciones WSN [18]. TinyOS Este sistema operativo tiene un modelo de ejecución basado en eventos. No presenta reconfigurabilidad dinámica a nivel de aplicaciones, es decir, poder reprogramar una aplicación específica en tiempo de ejecución del sistema operativo. Aunque se puede decir que es uno de los sistemas operativos más populares, maneja un lenguaje de programación poco conocido llamado nesC. A nivel de simulación, cuenta con una herramienta de simulación por eventos llamada TOSSIM, la cual se usa mediante Lenguaje Phyton. Cuenta con funciones dentro de su API que se encargan del manejo del consumo de potencia. En conclusión, el sistema operativo presenta servicios importantes, pero falla a nivel de reconfigurabilidad. Además, es necesario saber dos lenguajes de programación (uno poco conocido) para poder desarrollar y simular aplicaciones. [12, 19] Mantis OS Este sistema operativo tiene un modelo de ejecución basado en hilos, donde cada hilo se ejecuta independientemente pero usando un algoritmo de.

(12) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 12. planeación que se encarga de organizar los hilos generados por cada aplicación cuando está por ejecutarse. Presenta problemas en ocasiones en que puede haber sobrecarga de memoria por cada hilo de ejecución. Este problema es importante puesto que una aplicación WSN tiene recursos muy limitados [17]. En relación a consumo de potencia, maneja funciones implementadas en su API que controlan el consumo de potencia para optimizar este proceso. Cuenta con posibilidad de simulación en nodos virtuales pero no tiene una herramienta de simulación como tal [20]. Contiki OS Es un sistema operativo hibrido que maneja ejecuciones tanto por eventos como por hilos. Tiene la ventaja de implementar un stack de comunicaciones basado en el protocolo de Internet (IP), lo que hace fácil su conexión con cualquier dispositivo que esté conectado a la web, además de tener la posibilidad de recopilar los datos de la red (así como el estado de los mismos nodos) de sensores simplemente usando un explorador web. Maneja un módulo de control de consumo de potencia (ContikiMAC) el cual trata de usar el transmisor RF del nodo sólo cuando es necesario. La comunicación, como se dijo anteriormente se realiza a través de una modificación del protocolo IP llamado uIPv6 el cual está diseñado para sistemas embebidos limitados en recursos de procesamiento y memoria. Tiene una herramienta de simulación con interfaz gráfica llamada Cooja. Las aplicaciones creadas en este sistema operativo se desarrollan en lenguaje de programación C [21]. La ventaja de usar el protocolo de Internet para comunicar los nodos de la red es poder extender las aplicaciones desarrolladas y así mismo unificar diferentes procesos que se quieran desarrollar a futuro, como la implementación de redes inteligentes que no solo se encarguen de monitorear sino de proveer más servicios. La tabla 1 muestra una comparación de estos sistemas operativos en relación a los criterios expuestos anteriormente. En relación a lo expuesto anteriormente, se decidió escoger a Contiki OS como sistema operativo para la red de sensores de este proyecto, por su simplicidad en implementación (no hay necesidad de aprender un lenguaje de programación nuevo) y la diversidad en servicios que ofrece a parte de los básicos que debe tener un sistema operativo, especialmente el hecho de poder brindar una conectividad completa vía IP. Esta es una gran ventaja ya que la mayoría de aplicaciones WSN necesitan en un futuro estar conectadas a Internet, o como actualmente se le conoce IoT (Internet of Things) [22]. Sin embargo, esta integración debe estar acompañada por mecanismos de seguridad que garanticen que el acceso a esta información sea hecho por quienes están relacionados con la misma. Usar este sistema operativo, abre.

(13) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 13. la puerta a una completa integración de todos los dispositivos de la red a la Internet, y puede ahorrar costos en equipos futuros que funcionen como Gateways para cumplir esta tarea, pues los mismos nodos serán “usuarios” de la red. Además, recientes estudios y noticias han confirmado que el futuro de las Redes Inteligentes será integrar comunicaciones IP en las mismas [23] por lo que el diseño propuesto estará a la vanguardia de un proyecto de tal magnitud como lo es una Smart Grid, en la que varios servicios deberán ser integrados y las comunicaciones entre los dispositivos deberán estar integradas. Todos los algoritmos que se vayan a desarrollar tanto para mejorar el desempeño de la red, como para la recolección de los datos deberán implementarse como aplicaciones que corran sobre este sistema operativo. Las simulaciones se realizaran en Cooja. Todas las librerías de Contiki, así como las herramientas de simulación e implementación vienen en una máquina virtual descargable desde la página de este OS. Modelo de Ejecución. Implementación. Comunicación. Manejo de consumo de potencia Maneja librerías encargadas de consumo de potencia.. Simulador. TinyOS. Basado en eventos. Aplicaciones en nesC. Soportada por 802.15.4. SOS. Basado en eventos. Aplicaciones en C. Soportada por 802.15.4. El OS ya no se encuentra en desarrollo.. Aplicaciones en C. Soportada por 802.15.4. Maneja librerías encargadas de consumo de potencia.. Aplicaciones en C. IP Soportada por 802.15.4. Módulo encargado del consumo de potencia (Contiki MAC). No tiene una aplicación de simulación como tal. No tiene una aplicación de simulación como tal, pero permite la simulación sobre nodos virtuales. Simulador COOJA con GUI.. MantisOS. Basado en hilos. ContikiOS. Híbrido (hilos + eventos). TOSSIM, se debe crear una interfaz en Phyton para recopilar los datos.. Tabla 1. Principales características de los sistemas operativos evaluados de acuerdo con los criterios de selección..

(14) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica 6.2. 14. Selección de la referencia comercial del nodo (mote) que se usará en la red de sensores De acuerdo con la página web del sistema operativo Contiki, las siguientes plataformas soportan este OS: Tmote Sky, Atmel AVR, MicaZ, Zolertia Z1 y Redbee Econotag. Tanto la plataforma Tmote Sky como la plataforma MicaZ han sido descontinuadas [24] y ya no existe un distribuidor mayorista al cual se le puedan comprar grandes cantidades de estos nodos. Dado esto, se procede a escoger entre las plataformas AVR de Atmel, la plataforma Zolertia Z1 y Redbee Econotag. Atmel AVR Los AVR son una familia de micro-controladores RISC de 8 y 32 bits creados en 1996. Han tenido un gran éxito debido a su alto desempeño, especialmente el micro-controlador AVR UC3, el cual se ha catalogado como el micro controlador de 32 bits más eficiente del mundo [25]. De igual forma, los micro-controladores de 8 bits brindan eficiencia y alto desempeño, así como bajo consumo de potencia. Con el auge de las aplicaciones inalámbricas basadas en el protocolo de capa física IEEE 802.15.4, la misma compañía Atmel ha venido integrando el desempeño de estos microcontroladores AVR con la posibilidad de transmisión y recepción inalámbrica (tranceiver). Con base en esto, el micro controlador ATmega128RFA1 es una buena opción que integra máximo desempeño con transmisión inalámbrica eficiente. Este es un MCU (Micro Controller Unit) de 8 bits con un tranceiver integrado bajo el protocolo IEEE 802.15.4. Se alimenta normalmente con 3V y su consumo de corriente no supera los 18.6 mA, el cual se da generalmente cuando el dispositivo está usando el transmisor [26]. La compañía Atmel distribuye este dispositivo como un kit de evaluación que contiene dos tarjetas cada una con un MCU Atmega128RFA1. Un kit de evaluación tiene un precio de 99 dólares. Además de este kit de evaluación, es necesario tener un kit de inicio que permite programar estos dispositivos. Este kit es una tarjeta de desarrollo que permite programar cualquier tarjeta Atmel que tenga un MCU AVR. La tarjeta tiene conexión serial y USB para conexiones directas a un computador. En el marco de este proyecto, la tarjeta puede ser usada junto con el nodo sumidero para conectarlo a un computador y de esta forma almacenar los datos directamente. Esta tarjeta de desarrollo tiene un precio de 199 dólares..

(15) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 15. Zolertia Z1 Zolertia es una compañía española productora de sistemas embebidos para aplicaciones WSN. El sistema Z1 es un sistema completo que integra un MCU (MSP430), un tranceiver CC2420 y dos sensores incorporados, de temperatura y acelerómetro respectivamente. En términos de consumo de energía, es muy similar al Atmega128RFA1 [27]. La diferencia principal y crítica entre el nodo de Atmel y éste es el precio. Cada nodo Z1 cuesta aproximadamente 130 dólares, aunque la compañía realiza descuentos por compras mayores a 100 unidades [28]. Cada nodo se puede programar independientemente vía USB, por esto no hay necesidad de tener una tarjeta de desarrollo para los mismos. Redbee Econotag La tarjeta Econotag provee un sistema embebido basado en un MCU MC13224 de la compañía Freescale. Al igual que el MCU de Atmel, este procesador posee un tranceiver compatible con IEEE 802.15.4. El MCU es de 32 bits y tiene las mismas funcionalidades que los MCU explicados anteriormente. En términos de consumo de potencia, este dispositivo también se puede alimentar con 3V, pero a la hora de transmitir, puede llegar a necesitar una corriente de 35 mA [29]. En términos de precios, un nodo Econotag cuesta 55 dólares. La tabla 2 resume las características de estas plataformas en términos de los criterios de selección expuestos anteriormente. Voltaje de alimentación 3V. Alcance *. Precio. Atmega128RFA1. Demanda máxima de Corriente 18.6 mA. Depende del protocolo de comunicación (802.15.4). Zolertia Z1. 18.8 mA. 3V. Redbee Econotag. 35 mA. 3V. Depende del protocolo de comunicación (802.15.4) Depende del protocolo de comunicación (802.15.4). 2 cuestan 99 USD 130 USD 55 USD. Tabla 2. Características principales de las posibles plataformas a usar en la red según los criterios de selección. * El alcance depende también de la potencia de transmisión y de la sensibilidad del receptor.. De acuerdo con la descripción hecha anteriormente sobre estas tres posibilidades, se seleccionó la tarjeta de Atmel Atmega128RFA1 por ser la más económica y la que tiene mejor respuesta en consumo de potencia. De igual forma, estas tres opciones tienen un desempeño similar, por lo que no se está reduciendo alguna posibilidad de mejora. Las tres soluciones aquí propuestas tienen características similares en cuanto a potencia máxima de transmisión y sensibilidad en el receptor. Por esta razón, estas características.

(16) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 16. no fueron críticas a la hora de seleccionar la plataforma. Ahora, para establecer una buena aproximación al alcance máximo, se deben tener en cuenta la potencia máxima de transmisión, la frecuencia de la señal portadora, y la sensibilidad del receptor. Asumiendo que no existen perdidas en el transmisor ni en el receptor, se puede usar la siguiente ecuación [31]: [. ]. Donde es la potencia del transmisor, es la sensibilidad en el receptor, es la perdida de propagación debido al enlace (en este caso el alcance a determinar) y MD es el margen de desvanecimiento entre transmisor y receptor, el cual se puede establecer entre 20 y 30 dB. Para este caso, se escoge un valor de 25 dB con el fin de tener un alto grado de confiabilidad en el cálculo. El cálculo de las pérdidas de propagación se obtiene usando la siguiente formula [31]: (. ). Donde d es la distancia del enlace, y es la longitud de onda de la portadora en espacio abierto. Para una frecuencia de 2.4 GHz, este valor es 0.125 m (viaja aproximadamente a la velocidad de la luz). Teniendo una distancia de 85 m en el enlace, se puede ver que las pérdidas de propagación son 78.10 dB. Ahora, es posible determinar la potencia del transmisor, la cual es 3.10 dBm. Esta potencia de transmisión es menor a la máxima del tranceiver del nodo (3.5 dBm) [26], se puede entonces concluir que un alcance de 90 m es posible para el nodo seleccionado (Si la potencia de transmisión es máxima). Esta distancia puede ser mayor si no existen interferencias en el medio, como edificios y ondas que operen a la misma frecuencia de este protocolo (2.4 GHz), como puede ser una red Wi-Fi. Es importante mencionar, que en esta parte no se habló sobre el SoC CC2430 de Texas Instruments. Este dispositivo también puede funcionar con el sistema operativo Contiki, sin embargo, no hay mucho soporte sobre aplicaciones configuradas en dicha plataforma (en Internet). De igual forma, como forma de prueba del diseño propuesto en este proyecto, se sugiere implementarlo en estos dispositivos, ya que la Universidad de los Andes cuenta con kit de desarrollo de los mismos, y que el autor personalmente recomienda ya que ha trabajado con este sistema1. En resumen, tanto la plataforma CC2430. 1. Se realizó la implementación de una red de sensores usando los nodos CC2430 bajo el protocolo SimpliciTI para la materia Taller de Electrónica en el semestre 2011-1, el autor de este documento hizo parte del grupo.

(17) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 17. como la plataforma Atmega128FRA1 es recomendable, sin embargo los nodos CC2430 pueden consumir más potencia debido a que su requerimiento máximo de corriente es de 28.1 mA [32]. 6.3. Estudio del protocolo de comunicaciones a utilizar Dado que el sistema operativo Contiki maneja un stack de comunicaciones basado en TCP/IP, se usará el protocolo de Internet para realizar la comunicación completa de la red de sensores. El concepto de utilizar el protocolo IPv6 en dispositivos embebidos inalámbricos que forman una red de área personal (o local) fue desarrollado con Contiki y permite crear aplicaciones basadas en IP implementadas en un protocolo de capa física como lo es IEEE 802.15.4. Este concepto se conoce comúnmente como 6LoWPAN (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks) y ha venido evolucionando desde el año 2002 [57]. Así mismo, Contiki provee otro stack de comunicaciones más ligero llamado Rime, el cual también puede ser utilizado en la implementación de la red.. 6.4. Selección del tipo de alimentación para los nodos Tal vez el factor más importante para el éxito de la red es el tiempo de vida de los nodos. Por este motivo es primordial manejar adecuadamente la potencia que los mismos consumen, y si es posible conectar estos dispositivos a una fuente constante de energía. Para decidir la mejor opción se deben tener en cuenta conceptos básicos del mismo sistema de distribución de energía eléctrica. Este sistema se caracteriza por ser la última etapa del proceso de generación y transmisión de la energía eléctrica. En esta etapa, la energía se entrega tanto a usuarios comerciales, residenciales e industriales (ver Figura 1). Un esquema típico de un sistema de distribución se muestra en la figura 2. Las líneas de transmisión utilizadas en un sistema de distribución generalmente son de media y baja tensión. El rango de voltaje de las líneas de transmisión de medio voltaje oscila entre 1kV y 57.5 kV, mientras que el rango de voltaje de las líneas de baja tensión oscila entre 25 V y 1000 V [34]. De igual forma, el rango típico para usuarios industriales está entre 4 kV y 34.4 kV, para usuarios residenciales es 120 o 240 V, y para usuarios comerciales usualmente es 440 V [33]. Como el objetivo de este proyecto es diseñar una red de sensores para monitorear diferentes parámetros de un sistema de distribución de energía eléctrica, y como se puede apreciar, existen diferentes niveles de voltaje en las líneas y así mismo en los nodos (usuarios) del sistema, es posible alimentar algunos nodos desde la misma alimentación que va por las líneas. que implementó la comunicación de la red (sin el sensado), junto con Carlos Bayter, Rafael Caroprese y Hernan Mejía..

(18) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 18. de baja tensión que llevan voltajes de 120 o 240 utilizando un adaptador universal de voltaje DC (puede ser necesaria una acometida especial para obtener la conexión necesaria). Los nodos que necesiten estar ubicados sobre las líneas de media tensión necesitaran entonces un sistema alternativo de energía para que puedan ser alimentados, o si estos son alimentados con baterías, un sistema que permita cargar las mismas. El enfoque de esta sección será entonces la selección del mejor método de alimentación para los nodos cuando estos están ubicados sobre las líneas de media tensión.. Fig. 2. Esquema de un sistema de distribución de energía eléctrica. Se puede ver que además de las líneas, existen otros dispositivos en el sistema, como reguladores de voltaje, transformadores, seccionadores y fusibles (circuit breakers). Tomado de [33]. Actualmente existen 2 dispositivos capaces de almacenar energía que pueden ser aplicados a la alimentación de nodos WSN [35]. Estos son baterías y supercondensadores. A continuación se explicaran las ventajas y desventajas de cada uno. Baterías Las baterías son la principal fuente de alimentación de un nodo WSN. Se usan comúnmente dos baterías alcalinas AA que proveen un voltaje de 3 V apto para que el nodo funcione. Sin embargo, debido al funcionamiento del nodo, y debido a la potencia de trasmisión de una señal inalámbrica que el mismo tranceiver necesita, la duración de un par de baterías puede llegar a ser de aproximadamente 11 días [36]. Para no tener que cambiar baterías.

(19) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 19. cada semana, se usan baterías recargables, las cuales pueden llegar a durar hasta dos años sin perder su capacidad de almacenamiento de energía luego de ser recargadas, y asumiendo que un nodo se descarga diariamente [35]. El principal problema de las baterías, en general, es el hecho de que contaminan [58] y no es viable realizar cambios periódicos de las mismas en una red grande. Supercondensadores La mayor diferencia entre los supercondensadores y las baterías es el tiempo de vida de los mismos. La cual, en condiciones apropiadas, puede llegar a ser de 20 años [35]. Un supercondensador es un condensador cuyas placas están cerca en términos moleculares, aunque pueden llegar a tener un área grande. Para proveer el voltaje que un nodo necesita, existen arreglos de dos supercondensadores en serie, pero es necesario realizar un circuito de balance para asegurar que cada SC reciba la misma carga durante el proceso de alimentación de estos dispositivos. Un SC puede llegar a ser capaz de mantener la carga necesaria para alimentar un nodo por pocas semanas sin tener que ser recargado nuevamente [35]. Aunque un SC parece ser mejor solución para almacenar energía en una red de sensores, se puede ver que es necesario tener un circuito de alimentación y recarga de cualquiera de estos dispositivos. Por este motivo, debe haber una fuente de energía alternativa capaz de proveer la alimentación para los dispositivos de almacenamiento. A continuación se explicaran las principales fuentes de energía usadas en redes de sensores. Energía Solar La evolución y el desarrollo de los paneles solares han hecho posible un aprovechamiento útil de la energía solar. Es la tecnología más madura y con más soporte de mercado para cualquier tipo de aplicación [37]. Los paneles solares están compuestos por celdas fotovoltaicas capaces de convertir la energía de los fotones en energía eléctrica basándose en el efecto fotoeléctrico. Las consideraciones que se deben tener en cuenta a la hora de escoger un panel solar son, entre otras: La intensidad solar promedio en el lugar donde se va a instalar (las zonas cercanas al ecuador presentan mayor intensidad), el rango de voltaje de salida del panel, los requerimientos de carga diarios (medidos en A/hora/día) y los elementos mecánicos y electrónicos necesarios para la instalación del mismo panel [37]. Energía Termoeléctrica Este proceso se basa en la transformación de energía a partir de las diferencias térmicas de dos materiales basado en el efecto Seebeck. Este.

(20) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 20. efecto establece que cuando existe una diferencia térmica entre dos metales o semiconductores, también hay una diferencia de potencial, lo que implica una corriente pasando por los mismos. Existen generadores termoeléctricos (TEG) capaces de convertir diferencias térmicas de materiales distintos, en una diferencia de potencial. Por ejemplo, generadores de la empresa Micropelt, son capaces de generar 0.5 mW con una diferencia de 10 °K [37]. Energía transformada de vibraciones mecánicas En este sentido, existen dos procesos aplicados. El primero es la inducción electromagnética producida por el campo creado por un motor AC. En este caso, se crea un transductor magnetizado que tiene cierto peso y que está conectado a una bobina especialmente diseñada para capturar energía a la frecuencia de resonancia producida por la corriente AC. Por ejemplo, un transductor Perpetuum de 450 gramos es capaz de producir 0,3 mW en cualquier motor AC, pero si el dispositivo se ha sintonizado correctamente, puede producir hasta 50 mW [37]. El segundo proceso se refiere a usar un dispositivo piezoeléctrico capaz de transformar vibraciones mecánicas en energía eléctrica. En este caso, se pueden aprovechar las vibraciones de máquinas industriales para generar energía. El dispositivo JouleThief de la empresa AdaptativEnergy es capaz de generar hasta 0.15 mW de una vibración de 0.075 g*m/s² [37]. Otra aplicación relacionada con las dos mencionadas anteriormente, es el aprovechamiento del campo magnético generado por las líneas de transmisión. Este proceso hasta ahora ha comenzado a estudiarse y por esta razón no hay muchos resultados implementados comercialmente hasta el momento. En [59] se plantea el diseño de un generador lineal de voltaje capaz de alimentar un nodo WSN utilizando el campo magnético generado por una línea de transmisión de alta tensión. Dado que no existen soluciones comerciales a este problema, no se tiene en cuenta para la selección de la alternativa de alimentación de los nodos. De las tres formas de aprovechamiento de energías alternativas, la más adecuada para ser aplicada en redes de sensores es la solar. Esto debido a que es la que más desarrollo tiene y que para el caso particular de esta aplicación, es la que mejor se ajusta. Además, el costo de un panel solar es mucho más económico que el de un transductor de alguna de las otras dos opciones. Por ejemplo, el kit de un dispositivo JouleThief cuesta 699 dólares [38] y un nodo configurado con un generador termoeléctrico Micropelt cuesta 637 dólares [39]. Debido a lo expuesto anteriormente, se decidió por buscar alguna solución implementada con la ayuda de paneles solares y que brinde facilidades.

(21) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 21. económicas. Satisfactoriamente se logró encontrar una solución creativa y eficiente cuyos resultados son acordes con las necesidades de alimentación de un nodo de una red de sensores. El sistema implementado en la solución es capaz de proveer energía mediante un panel solar, baterías recargables y supercondensadores. Los dos últimos funcionando como fuentes alternas en caso de que la principal falle [40]. El circuito de prueba de este sistema se muestra en la figura 3. La resistencia de 100 Ω emula la carga de una batería. El nodo es la resistencia que está conectada al colector del transistor. La base del transistor está conectada a una señal cuadrada con un ciclo útil programable. Esto permite simular el comportamiento del nodo a la hora de transmitir, pues la potencia consumida en función del tiempo se puede modelar como una señal cuadrada con determinado ciclo útil, el cual es generalmente 1% puesto que el tiempo de transmisión de un nodo es generalmente pequeño en comparación a el periodo entre transmisiones. Los diodos tienen funciones diferentes. El diodo schottky D1 (0.25V de caída de tensión) asegura que la corriente fluya en una sola dirección para que no hallan corrientes inversas generadas por el panel. El diodo zener D3 asegura un voltaje de operación estable (3.6 V). El diodo D2 se asegura que el diodo zener no funcione como una carga sino que se mantenga en su función de regulador. Las resistencias de 1 MΩ funcionan como un divisor de voltaje que ayuda a balancear el voltaje en los supercondensadores.. Fig. 3. Circuito para el sistema de alimentación planteado para un nodo de la red. Tomado de [40]. Cuando el nodo está conectado únicamente al sistema, sin tener una batería consumiendo energía para cargarse, el voltaje de alimentación obtenido es de 4.3 V aproximadamente. Cuando se conecta la batería, el voltaje disminuye a 3.4 V. En los dos casos se obtiene un voltaje de alimentación.

(22) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 22. para el nodo que le permite funcionar adecuadamente [40]. En términos de corriente, el circuito va a ser capaz de proveer aproximadamente 34 mA, la cual es la corriente generada por el panel. Esto garantiza que el nodo va a operar siempre, pues su demanda de corriente se va a satisfacer. Cabe aclarar que en un día lluvioso o nublado, los supercondensadores van a ser capaces de alimentar el nodo. Por este motivo este sistema contempla tres fuentes de energía. Así mismo, el sistema sería considerablemente mucho más económico en relación a los expuestos anteriormente. Los elementos más costosos de este circuito son el panel solar y los supercondensadores. El panel solar utilizado es un mini-panel SC3766 el cual tiene un precio de 7.15 dólares para compras superiores a 50 unidades [41]. Un supercondensador B16352R5226-R de la serie PowerStor de la compañía Cooper Bussmann tiene un precio de 11.81 dólares por compras superiores a 100 unidades [42]. En la sección 7.2 se mostrará claramente el presupuesto asociado a un nodo teniendo en cuenta los precios establecidos para todos los componentes del nodo. El circuito en PCB propuesto para este sistema (alimentación) se muestra en la figura 4.. Fig. 4. Diseño en PCB del circuito de alimentación propuesto. El Jumper 1 tiene 6 pines, los tres de la parte superior son las tierras del panel, la batería y el nodo. Los pines inferiores son de izquierda a derecha: positivo batería, Vdd del nodo y positivo del panel. El tamaño del PCB es de aproximadamente 7 x 5 cm..

(23) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica 6.5. 23. Posibles sensores que se podrían conectar al nodo Como el objetivo de la red es realizar un monitoreo del sistema de distribución de energía eléctrica, múltiples parámetros de la misma red son posibles de medir. De igual forma, a la red se pueden integrar las lecturas de los contadores de energía eléctrica con el fin de integrar un proceso de lectura inalámbrica (WAMR). Con base en esto, se plantea medir tres parámetros principales: temperatura en las líneas de distribución, consumo de energía de los usuarios de la red y estado de los contadores. También es posible medir el voltaje y la corriente en las líneas, sin embargo, es mucho más sencillo medir la temperatura de las mismas para poder predecir una posible sobrecarga debida a la corriente que está pasando por las mismas, pues la temperatura es proporcional a la corriente cuadrada . Temperatura en las líneas de transmisión Cuando las condiciones máximas de temperatura que puede soportar una línea de transmisión se superan, se pone en riesgo la operación del cable, así como su mismo desempeño, el cual puede disminuir, al presentarse fugas de corriente [34]. De igual forma, cuando se presentan sobrecargas en las líneas, la temperatura de las mismas sube. Lo mismo sucede con los cortocircuitos. Por este motivo, se hace necesario un monitoreo constante de la temperatura de las líneas de transmisión del sistema de distribución. Mediante este monitoreo, se podrían realizar predicciones de fallas en las líneas y de posibles apagones en determinados sectores. Las predicciones se podrían basar en modelos probabilísticos tomando como datos las mediciones recopiladas a lo largo del tiempo. Este monitoreo ayudaría a la compañía eléctrica a realizar mantenimiento preventivo de las líneas mucho más específico y a actuar con mayor rapidez a la hora de una falla en la distribución de la electricidad [4]. Según lo anterior, se plantea usar un sensor de temperatura que sea capaz de funcionar en las condiciones climáticas a las que están expuestas las líneas de transmisión, y que a su vez tenga un campo de medida acorde a la evaluación de temperatura que se quiere dar, es decir por lo menos un valor máximo de 150 ºC [34]. De igual forma, dada la naturaleza de la aplicación que se va a implementar, cualquier sensor de temperatura no se ajustaría a estos requerimientos. Los trabajos desarrollados en relación a estas aplicaciones sugieren el uso de sensores SAW (Surface Acoustic Wave) para medir la temperatura en las líneas de transmisión, además de otros métodos como cámaras térmicas, sistemas MTS (Mechanical Tension Sensor) y WAMS [44]. Con base en estos antecedentes, se propone usar un sistema que integre sensores de temperatura SAW para la medición de este parámetro en las líneas..

(24) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 24. Un sensor SAW es un dispositivo pasivo que reacciona al paso de ondas acústicas a lo largo de su superficie. Para aplicaciones de temperatura, tanto la velocidad de propagación sobre su superficie, como la posición de los reflectores del mismo material cambian en relación a la misma [45]. Una aplicación con dispositivos SAW necesita además del sensor, un tranceiver capaz de enviar ondas a determinada frecuencia y de recibir las mismas luego de haber pasado por la superficie del dispositivo SAW para posteriormente procesar la información y determinar el dato medido. La compañía francesa SENSEOR desarrolla soluciones de este tipo. Dentro de su catálogo de productos, ofrecen un kit de evaluación que incluye el tranceiver WR E010 y el sensor de temperatura TSA F151. Et tranceiver funciona a frecuencias de 434 MHz y cuenta con una salida digital por USB o análoga. El sensor tiene un rango de medida que se encuentra entre -15 y 165 grados Celsius [46]. El tranceiver se encarga de todo el procesamiento de la señal y entrega una salida con la información de temperatura. Por lo tanto, si se quisiera conectar este dispositivo a un nodo de la red, se podría usar la interfaz serial de estos dispositivos para comunicar los datos al nodo. El inconveniente principal es la alimentación del tranceiver, pues este necesita 5V y 83 mA para su funcionamiento, y el panel solar usado en la alimentación de los nodos no es capaz de suplir esta corriente. La sugerencia en este caso sería utilizar otro sistema de paneles solares para alimentar los tranceivers a parte de los nodos. No es viable cambiar los paneles de los nodos para que estos puedan a su vez alimentar los tranceivers porque la aplicación de alimentación de los nodos fue diseñada exclusivamente para los mismos. Finalmente, el precio de este kit de evaluación oscila entre los 1500 dólares [47]. Lectura del consumo de energía La medición de la energía eléctrica ha evolucionado notablemente en los últimos años. Actualmente existen medidores electrónicos que muestran de manera digital el consumo de energía. Sin embargo, la comunicación con la subestación o la compañía ha sido problemática y todavía existen contratistas de las empresas prestadoras del servicio que se encargan de leer las mediciones del consumo de energía. No obstante, actualmente se han desarrollado soluciones novedosas capaces de automatizar el proceso de lectura del consumo de energía. Por ejemplo, la empresa Colombiana Eccel ha producido un producto de telemetría para contadores de cualquier tipo. El equipo SmartData e-Telemetry es capaz de leer el consumo que registra un medidor y transmitirlo de acuerdo a las necesidades del cliente (Wifi, GPRS, Ethernet, Satélite) [48]. Así mismo, puede tener integrado sensores de.

(25) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 25. apertura de puertas para monitorear la seguridad de los contadores. El dispositivo se comunica mediante puerto serial usando dos interfaces, RS232 ó RS-485. El uso de la interfaz RS-485 le da la posibilidad de recopilar información de hasta 30 medidores diferentes. Este aparato tiene un precio cercano a los 250 dólares. Esto sin contar el costo asociado de un plan de datos por dispositivo.. Comunicación Vía RS-485 (USART) ó Pulsos (I/O). Rama de la Red de Sensores. Fig. 5. Esquema de comunicación para la lectura de datos en la red.. Según estos antecedentes, se propone entonces ajustar un nodo de la red para recibir la información de un medidor electrónico dependiendo la salida que este dispositivo tenga. La mayoría de contadores electrónicos tienen una salida serial basada en el protocolo RS-485, también existen algunos que emiten un pulso digital por cada kWh consumido. Para cada caso, el microcontrolador ATMega128RFA1 es capaz de responder satisfactoriamente. En el primer caso, se debe programar una de las dos USART con las que cuenta, para que pueda comunicarse con el medidor (o los medidores) usando el protocolo RS-485. Cuando se tienen varios medidores conectados al nodo, se sugiere usar una configuración maestro-esclavo en la que el nodo será el maestro y los medidores los esclavos [49]. La implementación de esta solución no requiere un gasto extra si no se consideran las conexiones que se tendrían que hacer, las cuales son simplemente cables RS-485 y adaptadores.

(26) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 26. RS-485 para los nodos. Luego de configurar la comunicación con el medidor, se debe realizar la respectiva programación en el nodo bajo el sistema operativo para poder transmitir los datos del consumo de energía. El segundo caso es mucho más sencillo, pues lo único que se debe hacer es manejar un contador que lleve la cuenta de los pulsos del medidor. Esta señal será una entrada del micro-controlador. Este MCU cuenta con 38 entradas programables, lo que brinda un total de 38 medidores que se podrían conectar a un sólo nodo de la red. Nuevamente, se debe hacer la programación del nodo para realizar la transmisión de estos datos. La figura 5 muestra una representación del esquema planteado para la lectura y transmisión del consumo de energía. Estado de los Contadores En este sentido, se plantea crear un sistema de monitoreo para la seguridad de los contadores de energía. Los contadores de energía eléctrica tienen cajas que los protegen de diversos factores ambientales que los pueden afectar. De igual manera, estas cajas tienen cierres de seguridad los cuales sólo pueden ser manipulados por la compañía de energía eléctrica. La manipulación de estos aparatos con el fin de registrar un menor consumo se considera robo de energía eléctrica y es un delito que se penaliza en nuestro país. Para poder realizar un monitoreo exhaustivo del estado del contador, se plantea usar sensores que detecten la apertura de la caja en donde se encuentra el contador. En este sentido existe una gran variedad de sensores que se pueden aplicar a este propósito. La selección del sensor en este caso dependerá del precio del mismo y del nivel de precisión que se requiera. De cualquier forma, el procedimiento de detección va a ser el mismo. Este procedimiento es, fijar una distancia entre el sensor y la puerta al estar cerrada y establecer una alarma cuando esta distancia sea mayor. Según las características de la caja y la precisión en la medición, hay varios sensores capaces de hacer esto. Existen sensores de distancia de tipo inductivo, capacitivo, infrarrojo e inclusive ultrasónico. Los sensores inductivos son útiles a la hora de medir distancias o proximidad para objetos metálicos. En este caso, si la caja donde se encuentra el contador es metálica, este sensor sería bastante útil. La mayoría de estos sensores tienen integrada la cadena de medición correspondiente, cuya salida es análoga y varía de acuerdo a la distancia a la que se encuentre el sensor del objeto. La variedad de estos sensores es inmensa desde su tamaño hasta su tipo de alimentación. Existen sensores inductivos alimentados por corriente alterna y por corriente directa [50]. Así mismo la distancia de sensado puede variar notablemente dependiendo del sensor la.

(27) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 27. cual puede llegar a ser hasta 120 mm [51]. Estos sensores se pueden encontrar desde 30 dólares en adelante, dependiendo básicamente de la distancia máxima de medición. Por otra parte, los sensores infrarrojos son mucho más económicos y también son capaces de proporcionar una medición buena. Un ejemplo es el sensor GP2Y0D810Z0F, el cual funciona de forma similar a la de un sensor de ultrasonido. La ventaja de este sensor es su salida digital y su bajo consumo de energía [52]. El precio de este sensor es de aproximadamente 7 dólares [53]. Sea cual sea la decisión tomada para este sensor de distancia (la elección es libre) se debe tener en cuenta la salida del sensor. Si la salida es digital, el procesamiento de los datos en el micro controlador es mucho más simple, el cual sólo consistiría en evaluar una condición para saber la apertura de la puerta. Cuando la salida es análoga, se debe hacer una conversión análogadigital dentro del micro controlador y luego realizar la evaluación de la condición. Es importante mencionar que los sensores mostrados anteriormente no son los únicos que se podrían conectar a los nodos de la red. Existen muchas más aplicaciones para una red de sensores de esta índole que inclusive no tendrían que ver con el sistema de distribución. Por ejemplo, se podría diseñar un sistema de vigilancia con cámaras, donde los nodos sean capaces de transmitir la información de las mismas (esta sugerencia requiere de un estudio detallado). 6.6. Condiciones de Instalación de los nodos Hasta el momento se ha discutido todo lo concerniente a los nodos y la electrónica de los mismos. Sin embargo, hace falta especificar como se instalarían los mismos dependiendo de la localización de los nodos sobre el sistema de distribución, así como de la caja que va a proteger toda la circuitería interna de los nodos. A continuación se muestra el diseño planteado para esta caja y como deberían instalarse los nodos en el sistema de distribución. Diseño de la caja donde se encontrará el nodo Es necesario crear una caja que proteja al nodo de condiciones ambientales adversas, especialmente lluvia. Teniendo en cuenta las medidas del SoC del micro controlador Atmel, y las dimensiones de los elementos del circuito de alimentación previamente mostrado, se propone la siguiente caja de la figura 6 para el nodo. Como se puede ver, la caja es un poco más grande que la tarjeta STK-600 Atmega128RFA1. La altura se determinó de esta forma.

(28) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 28. debido al tamaño de los condensadores. Los planos ortogonales de esta estructura se muestran en las figura 7 y 8. La caja tiene tres orificios, el que se encuentra en la parte superior permite que la antena permanezca fuera de la misma. El que se encuentra en la parte frontal se puede utilizar para conectar el panel solar con el circuito de alimentación del nodo, el cual estaría dentro de la caja. El orificio posterior se puede usar para las conexiones con los sensores del nodo. Los sensores no estarían dentro de la caja debido a que los nodos van a estar en los postes eléctricos. La idea es que la tarjeta que contiene el nodo se ajuste a la tapa superior de la caja, y para los nodos que necesitan alimentación externa, el circuito de alimentación se ajuste a la tapa inferior de la caja. Se propone como material para la caja el policarbonato, pues es muy usado en aplicaciones electrónicas (es un plástico, lo que lo hace ser impermeable). La caja no garantiza hermeticidad, por lo que es necesario ajustar todos los orificios con una material elástico capaz de cerrar cualquier apertura a agua o intemperie. La antena del dispositivo se conecta por medio de un conector SMA (SubMiniature Version A), y es resistente al agua (su recubrimiento no es metálico), por lo que no necesita alguna protección especial. Una caja en este material y con dimensiones similares tiene un precio promedio de 34 dólares [54]. Luego de diseñar la caja, se procede a explicar cómo van a ser instalados los nodos en el sistema de distribución.. Fig. 6. Caja diseñada para proteger el nodo..

(29) Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. 29. Fig. 7. Vista frontal de la caja (Izquierda). Vista superior de la caja (Derecha).. Fig. 8. Vista posterior de la caja.. Instalación de los nodos en el sistema de distribución En este sentido, es necesario establecer dos tipos de instalación. El primer caso es cuando los nodos están sobre las líneas de baja tensión. En este caso no habría necesidad de alimentación alternativa, pues las líneas proveerían la alimentación para los dispositivos. Sin embargo, los nodos hoja de la red tendrán conectados los contadores, tanto para verificar su seguridad como para leer el consumo de energía. La figura 9 muestra el primer caso de instalación..

(30) 30. Diseño de una red inalámbrica de sensores (WSN) para monitoreo en sistemas de distribución de energía eléctrica. Casa. Contador. Poste con línea de transmisión de baja tensión.. Poste con línea de transmisión de baja tensión.. 90 m. Fig. 9. Instalación de los nodos cuando se encuentran en las líneas de baja tensión.. Intensidad lumínica solar Panel Solar. Cable conector entre el panel y el circuito de alimentación con tubo canalizador protector. Soporte para el panel. Nodo con el circuito de alimentación y el soporte. Fig. 10. Condiciones de instalación de un nodo en un poste de líneas de media tensión.. Como lo muestra la figura 9, el contador estará conectado al nodo por medio de los cables necesarios tanto para comunicar al sensor como a la interfaz de lectura de energía. Estos cables deben estar asegurados dentro de un tubo canalizador que proteja los mismos. Existe una gran variedad de tubos para.