Plataforma de monitoreo para redes eléctricas

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(1)PLATAFORMA DE MONITOREO PARA REDES ELÉCTRICAS. Proyecto de Grado Presentado a La Universidad de Los Andes Como requisito parcial para optar por el tı́tulo de Ingeniero Electrónico. Asesor: Juan Carlos Bohórquez, PhD Coasesor: Néstor Peña, PhD. Andrés Gómez Diciembre 2010.

(2) Agradecimientos A lo largo de mi estadı́a en la Universidad de Los Andes, he vivido momentos memorables de tristeza, frustración, formación, alegrı́a y verdadera victoria. Cada vivencia ha sido fundamental en mi desarrollo personal a lo largo de estos últimos años. Sin lugar a duda, nada de esto hubiera sido posible sin el apoyo ni la ayuda de muchos. Agradezco a mi familia las oportunidades que me han brindado, los consejos que me han dado, y el amor que siempre los ha caracterizado. A mi cı́rculo cercano le agradezco enormemente su amistad y apoyo a lo largo de estos años. A mis profesores les agradezco el conocimiento que impartieron en mı́.. Este proyecto ha sido el resultado de incontables horas de estudio y trabajo. Sin embargo, mis esfuerzo hubieran sido en vano, de no ser por la colaboración de muchos. A Jonatan Arango le agradezco su apoyo en este proyecto y la fé que ha puesto en mı́. A Juan Carlos y a Néstor, les agradezco el espacio y la retroalimentación que necesité para el desarrollo exitoso de este proyecto de grado.. Con este proyecto culmina mi formación en la Universidad de Los Andes. Con esta formación comienza el resto de mi vida. iv.

(3) Índice general Agradecimientos. IV. 0. Resumen. 1. 1. Introducción. 2. 1.1. Lectura Automática de Medidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Descripción General. 3 4. 2.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 2.2. Objetivos Especı́ficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 2.3. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.3.1. PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.3.2. Zigbee & Redes IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. 2.3.3. GPRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 2.3.4. Medidores de Energı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 2.4. Identificación del Problema y su Importancia . . . . . . . . . . . . . .. 10. 2.5. Resultados Esperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 3. Diseño y Especificación. 11. 3.1. Definición del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 3.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 3.3. Restricciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. v.

(4) 4. Desarrollo del Diseño. 15. 4.1. Inventario de Hardware Disponible . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 4.2. Espacio de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16. 4.3. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 4.4. Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 4.5. Alternativas de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 5. Implementación y Resultados. 27. 5.1. Descripción de la Implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 5.2. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 6. Conclusiones. 33. 6.1. Discusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 6.2. Trabajo Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 6.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. Bibliografı́a. 35. A. Pruebas Unitarias. 38. A.1. Red GPRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. A.2. Red Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. B. Caracterización del Sensor de Proximidad. vi. 40.

(5) Índice de cuadros 2.1. Comparación de Tiempos de Vida para Diferentes Tecnologı́as. . . . .. 9. 4.1. Tabla Comparativa de Módulos Disponibles en LabElec . . . . . . . .. 16. 4.2. Parámetros escogidos en el espacio de Diseño. . . . . . . . . . . . . .. 17. 4.3. Componentes Utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 5.1. Componentes utilizados como Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29. vii.

(6) Índice de figuras 2.1. Topologı́a de un sistema AMR en tecnologı́a PLC [13] . . . . . . . . .. 6. 2.2. Topologı́a de un sistema AMR en tecnologı́a Zigbee [3] . . . . . . . .. 7. 2.3. Topologı́a de un sistema AMR con tecnologı́a Zigbee & GPRS [15] . .. 9. 3.1. Planos del área inicial de Prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 3.2. Gráfica de los Puntos de Interés en los Barrios Oficiales . . . . . . . .. 12. 4.1. Topologı́a de la Red en Dos Capas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 4.2. Diagrama de Bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 4.3. Diagrama de Flujo de Información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 4.4. Diagrama de Componentes del Sistema Completo. . . . . . . . . . . .. 20. 4.5. Diagrama Entidad-Relación del Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 4.6. Diagrama de Estados UML del Componente Lector. . . . . . . . . . .. 22. 4.7. Diagrama de Actividades UML del Componente Coordinador. . . . .. 23. 4.8. Esquemático del Dispositivo Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 5.1. Página Web para Monitorear la Red . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 5.2. Componentes Principales para los Nodos de Red . . . . . . . . . . . .. 30. 5.3. Shield Desarrollado para Emular los Sensores. . . . . . . . . . . . . .. 31. 5.4. PCB del Módulo Desarrollado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. viii.

(7) Capı́tulo 0 Resumen Este documento es el resultado de un semestre de investigación, diseño e implementación. El proyecto desarrolla una plataforma web para el monitoreo de una red de sensores ubicados en medidores de energı́a eléctrica. Tomando como base la especificación de unos sensores actualmente en desarrollo por el grupo GEST, se ha diseñado la infraestructura necesaria para monitorear un área predeterminada por CODENSA S.A. Tras presentar los fundamentos teóricos, se presentarán los elementos desarrollados para este fin. El desarrollo incluye el software y hardware de los nodos de red ası́ como el aplicativo para el servidor web. Este aplicativo procesa los datos enviados por los nodos para un posterior análisis.. 1.

(8) Capı́tulo 1 Introducción En la actualidad, existen muchas aplicaciones para redes sensoriales inalámbricas. La lectura automática de medidores, llamada en inglés Automatic Meter Reading (AMR), ha sido implementada en varios paı́ses por compañı́as proveedoras de servicios públicos [1, 6]. Estas redes les ha permitido a estas compañı́as reducir costos en la facturación de sus clientes, ya que la información de consumo se obtiene de manera digital y sistematizada. Este campo de aplicación para redes sensoriales inalámbricas está siendo ampliamente investigado a nivel mundial. En Bogotá, la compañı́a proveedora de servicio público CODENSA S.A. está evaluando la posibilidad de implementar un sistema de caracterı́sticas similares pero con un enfoque diferente: detectar la manipulación no autorizada a su infraestructura. Actualmente, el grupo GEST de la Universidad de Los Andes está desarrollando un sensor inalámbrico para ser incorporado en medidores de energı́a eléctrica con el fin de detectar la manipulación no autorizada de los mismos. El objetivo es obtener una plataforma para monitorear el estado de todos los sensores dentro de un área predefinida. Este proyecto de grado busca aportar en el diseño y la implementación de la infraestructura necesaria para el monitoreo de una red de sensores en medidores de energı́a eléctrica.. 2.

(9) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. 1.1.. 3. Lectura Automática de Medidores. El uso de redes sensoriales inalámbricas en compañias proveedoras de servicios públicos tiene varios años. En [1] se discute la posiblidad de implementar medios inalámbricos para monitorear diferentes tipos de medidores. El artı́culo parte del hecho que en ENEL, empresa italiana proveedora de energı́a eléctrica, los medidores eléctricos transmitı́an información a un concentrador vı́a Power Line Communication (PLC ), aprovechando la infraestructura existente. El concentrador a su vez utiliza un modem General Packet Radio Service (GPRS ) para registrar las lecturas en una central. Este artı́culo plantea la posibilidad de que otros medidores (gas, agua, etc) se pudieran conectar inalámbricamente al medidor de electricidad y utilizar la red de datos existente para registrar sus lecturas. Existen actualmente diversas tecnologı́as que permiten realizar una lectura automática de medidores. En la sección 2.3 se realizará un breve análisis de diferentes tecnologı́as usadas en proyectos de lectura automática de medidores. Las ventajas de éstos sistema son numerosas. Entre ellas está la reducción en costos operativos para los recolectores de información, reducción de errores humanos, mayor frecuencia de reportes, posibilidad de facturar precio por tiempo real, etc [6]. El sistema a desarrollar tiene muchas similitudes con un sistema AMR. Sin embargo, el propósito principal es la lectura de los sensores de manipulación, no el consumo de energı́a. En este contexto, se pueden reutilizar muchos de los conceptos desarrollados en la plataforma a desarrollar..

(10) Capı́tulo 2 Descripción General 2.1.. Objetivo General. Diseñar y construir una plataforma de bajo costo para la implementación y monitoreo de una red de sensores para detectar la manipulación de medidores de energı́a eléctrica.. 2.2.. Objetivos Especı́ficos. Evaluar las distintas tecnologı́as de comunicación aplicables a una red para la detección de la manipulación no autorizada de medidores de energı́a. Realizar un diseño modular de los nodos sensoriales y de enlace. Escribir librerı́as en C para facilitar el uso de los componentes del nodo. Diseñar protocolos de comunicación entre nodos y la puerta de enlace. Implementar un módulo con las caracterı́sticas de comportamiento similares al sensor de manipulación. Desarrollar un aplicativo web para el seguimiento de todos los sensores en la red. 4.

(11) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL. 2.3.. 5. Antecedentes. En los últimos veinte años, se han publicado muchos proyectos sobre sistemas de lectura automática de medidores. Estos proyectos han sido una prueba de concepto para diferentes maneras de lograr la lectura automática de medidores. En algunos casos, empresas de energı́a han financiado estos proyectos para implementarlos en sus propias redes. La gran mayorı́a utiliza más de una tecnologı́a de comunicación para lograr la conectividad entre redes. En términos generales, el problema de conexión más difı́cil de resolver es el de la última milla. Hay muchas alternativas para lograr esto, ya sea por medios alámbricos o inalámbricos. A continuación, se resumen algunos proyectos en diferentes tecnologı́as:. 2.3.1.. PLC. La tecnologı́a Power Line Communication (PLC), utiliza la red de energı́a eléctrica para la transmisión de datos. Esta tecnologı́a está sujeta a diferentes factores como la frecuencia de transmisión, nivel de voltaje en las lı́neas, distancia entre modems, y la existencia de transformadores entre puntos de comunicación [13]. Sin embargo, una vez desplegados, son muy confiables. Una de las ventajas más llamativas de esta tecnologı́a es la reutilización del cableado ya existente para realizar las lecturas de medidores. La misma infraestructura se podrı́a utilizar para varios tipo de medidores. En [23], por ejemplo, se integran modems PLC con medidores de electricidad, agua y gas. En [5] se presentan varias arquitecturas basadas en PLC para sistemas AMR actualmente usados en Corea del Sur. La arquitectura tı́pica de estos sistemas se puede apreciar en la figura 2.1. Una caracterı́stica importante a tener en cuenta es el consumo de energı́a. Un tı́pico modem PLC consume al rededor de 100 mA durante la transmisión de datos, 50 mA durante la recepción y 30 mA en estado idle [22]. Si el voltaje de operación es de 12V el consumo de potencia serı́a de 1.2 W durante la transmisión y 360 mW en estado de espera. Si se cuenta con una baterı́a de 6000 mAh con un voltaje de operación de 12V, el modem PLC descargarı́a la pila en aproximadamente 9 dı́as..

(12) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL. 6. Figura 2.1: Topologı́a de un sistema AMR en tecnologı́a PLC [13]. 2.3.2.. Zigbee & Redes IP. Al igual que los sistemas PLC, las tecnologı́as inalámbricas sólo resuelven el problema de la última milla, necesitan de una infraestructura adicional para completar la comunicación punto a punto. Una manera de resolver este inconveniente podrı́a ser el uso de una tecnologı́a IP ya desplegada en el lugar de interés. Las redes IP tienen la ventaja de proporcionar, en la gran mayorı́a de casos, una conectividad mundial. De esta manera, un medidor de electricidad en una casa con un router WiFiTM podrı́a utilizar esta conexión para registrar sus medidas en un servidor web del proveedor. Esta solución fue utilizada por los autores de [14]. Si no hay una infraestructura inalámbrica disponible, una alternativa es crearla. Para lograr esto, es importante tener en cuenta varios factores como el costo de los transreceptores, la frencuencia de operación, consumo de energı́a, etc. Una de las tecnologı́as más populares para crear redes inalámbricas de mediano alcance es Zigbee R . Esta tecnologı́a resuelve muchos de estos problemas, incluyendo bajo consumo de potencia, mediano y largo alcance, protocolos de enrutamiento, uso de encripción para enlaces seguros, etc. Entre sus puntos no técnicos está el costo de los módulos, que dependiendo del alcance, potencia y frecuencia de operación, puede variar entre los.

(13) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL. 7. 20 y 200 USD por cada radio. Estos radios se han utilizado en una gran cantidad de proyectos como enlaces intermedios. En [10], [2], [4] y [12], se utiliza la tecnologı́a Zigbee como intermediario entre una red IP y los dispositivos finales. Cabe notar que tiene que haber un nodo central que se encarga de “traducir” el mensaje de la red Zigbee, a la red IP, ya sea en tecnologı́a ethernet, Wifi, etc. La topologı́a tı́pica de un sistema con esta tecnologı́a se puede apreciar en la figura 2.2.. Figura 2.2: Topologı́a de un sistema AMR en tecnologı́a Zigbee [3] El bajo consumo de potencia es una de las grandes ventajas que aportan los radios XBee. Existen radios de mediano y de largo alcance, con diferentes consumos de energı́a. El radio de mediano alcance consume 45 mA en transmisión, 50 mA en recepción, y cuenta con un modo de espera con un consumo de 10 µA [11]. El consumo de potencia en este estado (33 µW) es despreciable en comparación a los otros componentes del sistema. Esta es una gran ventaja ya que hace viable el uso de baterias como fuente primaria..

(14) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL. 2.3.3.. 8. GPRS. General Packet Radio Service (GPRS) es una tecnlogı́a celular utilizado por millones de usuarios a nivel mundial. Con esta tecnologı́a es posible realizar una conexión, por medio de la infraestructura del operador móvil, a redes IP. Hoy en dı́a, existen varios proyectos que han mezclado las ventajas de Zigbee con GPRS [13]. El bajo consumo de potencia y los robustos protocolos de comunicación que proporciona Zigbee permite tener una red sensorial de amplio alcance, mientras que GPRS proporciona la conectividad a redes IP. Este último siendo válido sólo en lugares donde ya existe una infraestructura de un operador móvil. En los últimos años, se han publicado varios proyectos uniendo las tecnologı́as de Zigbee con GPRS. En [15] [8] [9], se emplea un procesador de 32 bits en cada nodo de la red, un radio zigbee, y un radio GPRS en las puertas de enlace. En [21] se omite el uso de Zigbee por completo y se emplea un radio GPRS en cada nodo. En [17] se parte de una infraestructura GPRS ya existente para interconectar nuevos medidores de energı́a a la red existente. Estos proyectos son pruebas de concepto en las que se demuestra que estas tecnologı́as sı́ son adecuadas para el monitoreo de sensores. Cabe notar que en ninguno de estos proyectos se tenı́an restricciones de consumo de potencia por parte del nodo. En [13] se mencionan algunas tácticas para extender la vida de un nodo, como acumular lecturas y reportarlas 1 vez al mes. La gran ventaja que aportan los sistemas con GPRS es una independencia de infraestructura, ya que ésta es puesta por el operador móvil. Sin embargo el uso de ésta agrega un costo de operación mensual a la plataforma. En las áreas de cobertura, sólo se necesita el módulo GPRS para poder registrarse ante un servidor web en cualquier parte del mundo. En la figura 2.3 se puede apreciar una topologı́a tı́pica para un sistema AMR en esta tecnologı́a. Si bien esta tecnologı́a tiene muchas ventajas, en términos de potencia es costosa. Un tı́pico módem GPRS consume en promedio 350 mA (con un pico de 2000 mA) en la transmisión y recepción de datos. El consumo en modo de espera es de 7 mA, y el estado de sleep es de 2 mA [20]. En este último estado, una baterı́a de 6000 mAh con un voltaje de operación de 12 V durarı́a diez meses. Aunque la duración de carga es considerablemente menor que con XBee, sigue siendo viable..

(15) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL. 9. Figura 2.3: Topologı́a de un sistema AMR con tecnologı́a Zigbee & GPRS [15] Siendo el consumo de energı́a una consideración importante a la hora de elegı́r la tecnologı́a de comunicación para la plataforma de monitoreo, en la tabla 2.1 se resume las caracterı́sticas de potencia para las tecnologı́as vistas. La duración de carga se calculó para una baterı́a de 6000 mAh con un voltaje de operación de 12V. Tecnologı́a PLC Zigbee GPRS. Consumo en Estado de Espera 30 mA 10µA 2 mA. Duración de Carga 9 dı́as 10 años 10 meses. Cuadro 2.1: Comparación de Tiempos de Vida para Diferentes Tecnologı́as.. 2.3.4.. Medidores de Energı́a. En la actualidad, hay varias maneras de extraer información de medidores eléctricos. La más común es implementar una comunicación directa en el medidor. Tı́picamente, el módulo de comunicación recibe un pulso digital emitido por el medidor digital después de cada KWH consumido. En algunos medidores, el pulso emitido se hace por medio de un LED infrarrojo. Esta tecnologı́a tiene la desventaja de ser direccional, complicando ası́ la recepción de muchas señales. Otros medidores implementan una comunicación serial RS-232 con el módulo de comunicación. Este es el caso de algunos proyectos mencionados anteriormente..

(16) CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN GENERAL. 10. El sensor actualmente en desarrollo por el Grupo GEST, funcionarı́a como un sello de seguridad RFID. Este sello estarı́a ubicado en varios puntos del medidor y la caja protectora, cubriendo los tornillos o la carcaza. El lector tendrı́a la capacidad de leer todos los sellos dentro de un área predeterminada. Si un medidor es manipulado, el sello de seguridad se rompe y no responderı́a a una consulta. Esta ausencia serı́a detectada por la plataforma de monitoreo como una manipulación del medidor con ese sello asignado.. 2.4.. Identificación del Problema y su Importancia. Actualmente CODENSA S.A. tiene identificadas varias áreas de riesgo de alteraciones en sus medidores. No existen soluciones comerciales para detectar la manipulación no autorizada de medidores de energı́a eléctrica. Es importante para la empresa tener una manera de verificar el estado de sus medidores de una manera automática y confiable. El Grupo GEST está desarrollando una parte importante para llegar a esta meta con el sensor de hurto de energı́a y su respectivo lector. Aún con la pareja sensor/lector, faltarı́a tener una plataforma de monitoreo que permite reunir la información de todos los sensores en un área de una manera automática, segura, y coherente. Esto permitirı́a hacer un seguimiento idóneo y tener un buen tiempo de respuesta. Este sistema le brindarı́a todos estos beneficios a CODENSA, permitiéndole tener un mayor control sobre su red eléctrica.. 2.5.. Resultados Esperados. En el transcurso de este proyecto se han diseñado diferentes componentes software y hardware para la implementación de un sistema de monitoreo. El desarrollo modular permite realizar pruebas individuales. Se espera que estos módulos desarrollados implementen los protocolos de comunicación desarrollados para registrar las lecturas en el aplicativo web. Al realizar pruebas de integración, se espera que todos los módulos funcionen correctamente, y que la plataforma pueda analizar correctamente los datos para monitorear la manipulación de medidores de energı́a eléctrica..

(17) Capı́tulo 3 Diseño y Especificación 3.1.. Definición del Problema. CODENSA S.A. tiene identificadas varias zonas de riesgo donde se presenta la adulteración de sus medidores de energı́a eléctrica. La empresa busca obtener la manera de detectar prontamente la manipulación no autorizada de medidores en estas áreas sensibles. Con este fin, el Grupo GEST de la Universidad de Los Andes está desarrollando sensores para la detección de alteraciones en medidores eléctricos, y se desarrolla un lector que permitirı́a leer un conjunto de sensores dentro de un rango determinado. Se decidió tomar como caso base para la plataforma de monitoreo, los medidores ubicados el barrio Carvajal, al sur de Bogotá. El barrio Carvajal es reconocido por la Alcaldı́a Mayor de Bogotá como un barrio común, ubicado al interior dos barrios oficiales: Provivienda y Provivienda Oriental. Se ha definido que por su cercanı́a a los medidores, los lectores del sensor de hurto de energı́a se ubicarı́an en estos transformadores, asumiendo que los sensores estarı́an ubicados dentro del rango y capacidad del lector.. 11.

(18) CAPÍTULO 3. DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN. (a) Barrio Carvajal. 12. (b) Barrios Oficiales. Figura 3.1: Planos del área inicial de Prueba Al tomar la información de los transformadores ubicados en estos dos barrios, se realizó un gráfica de sus posiciones y se encontró que el conjunto tenı́a una extensión de 1.4 Km por 1.6 Km aproximadamente. En esta área se ubicarı́an aproximadamente 159 lectores, representados en la figura 3.1 por puntos azules.. Figura 3.2: Gráfica de los Puntos de Interés en los Barrios Oficiales.

(19) CAPÍTULO 3. DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN. 3.2.. 13. Especificaciones. Parte de las caracterı́sticas del sensor de manipulación es que no tiene una fuente directa de energı́a. El lector es quien le brinda la energı́a para realizar la lectura. Esta comunicación entre el lector activo y el sensor pasivo tiene ciertas limitaciones. Por un lado, el lector no puede estar asociado a más de 5 sensores. La lectura también tiene un alcance de 10 metros. Estos sensores estarán incorporados a los medidores de energı́a, mientras que los lectores estarán ubicados en la cima de postes de electricidad. Una vez definida la ubicación de los lectores, es necesario determinar si es necesario partir el conjunto de lectores en varios subconjuntos para cumplir las restricciones de la tecnologı́a de comunicación. En caso de tener dos nodos cuya distancia supera al lı́mite de la tecnologı́a, serı́a necesario partirlo en dos subconjuntos para poder implementarla. Al tener los conjuntos de lectores válidos, es importante ubicar el nodo central, ya que éste será quien (por medio de la tecnologı́a seleccionada) registrará los datos de su red ante un servidor local o remoto. Este nodo “concentrador” se ubica en la mitad de la red para minimizar el número de saltos entre nodos intermedios. Una vez más, se desarrollo un script en Matlab para determinar este nodo.. 3.3.. Restricciones. Los parámetros de diseño más importantes, después de los funcionales, están relacionados con costos. Es deseable tener el costo de implementación mı́nimo para el conjunto de requerimientos funcionales. Esto tiene implicaciones en las opciones de hardware tanto en los componentes de control como de comunicación. Otro parámetro importante es minimizar el consumo de energı́a. En el mejor de los casos, se desea utilizar baterı́as cuya vida útil serı́a medida en (preferiblemente) años. Esta es quizás la restricción más limitante del proyecto. En términos de espacio, se desea hacer los módulos lo más pequeños posibles, ya que estos estarán ubicados en la parte superior de postes de electricidad..

(20) CAPÍTULO 3. DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN. 14. Adicionalmente, es necesario emular el funcionamiento de los sensores de manipulación, ya que éstos están actualmente en desarrollo. El tener unas especificaciones generales de los sensores y lectores permiten que se pueda desarrollar la plataforma de monitoreo de manera independiente. Aún ası́, puede llegar a necesitarse unas leves modificaciones para el correcto funcionamiento con el lector una vez esté terminado. Cabe notar que estos módulos deberı́an tener la capacidad de detectar cuándo ellos son adulterados. No serı́a aceptable necesitar otro sistema para monitorear éste..

(21) Capı́tulo 4 Desarrollo del Diseño La primera decisión en la etapa de diseño fue sobre las tecnologı́as de comunicación a utilizar. Dada la ubicación de los lectores, la única tecnologı́a alámbrica disponible es PLC. Sin embargo, las restricciones de alcance hacen que esta tecnologı́a no sea viable. La tecnologı́a PLC resulta muy costosa en términos de potencia para efectos de esta plataforma. Partiendo de esta decisión, el proceso de diseño empezó con evaluar las tecnologı́as disponibles en el laboratorio de Ingenierı́a Eléctrica y Electrónica (Labelec) de la Universidad de Los Andes.. 4.1.. Inventario de Hardware Disponible. El laboratorio de Ingenierı́a Eléctrica y Electrónica cuenta con varios módulos de comunicación y procesamiento. En la tabla 4.1 se muestran los módulos disponibles con algunas de sus caracterı́sticas principales. Todos los módulos cuentan con procesadores de 16 o 32 bits y una memoria RAM entre 4 y 256 KB. Todos los dispositivos cuentan con un radio 802.15.4, sin embargo no se contaba con el stack compatible con redes Zigbee. En el caso del Smart RF04EB, este es un kit de desarrollo con muchos puertos auxiliares y de gran tamaño. En el caso del Ember EM 250, el laboratorio no cuenta con las herramientas adecuadas para soldar componentes con la tecnologı́a BGA.. 15.

(22) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 16. Después de evaluar todos los módulos, se decidió utilizar un módulo basado en un microcontrolador AVR ATMega328 de 8 bits. Su pequeño tamaño (1 cm por 3.5 cm) y facilidad de uso permiten desarrollar un módulo adecuadamente dimensionado para el problema. Para la comunicación se decidió utilizar la combinación de Zigbee con GPRS por consideraciones de potencia e infraestructura. Una red Zigbee brinda robustos protocolos de red a muy bajo consumo de potencia, mientras que el módulo GPRS ofrece una conectividad IP a muy bajo costo. Una de las versiones comerciales de Zigbee se conoce como XBee, del fabricante Digi. Este radio es compatible con las redes 802.15.4 y tiene una interfaz serial por el cual se controla. Smart RF04EB Intel PXA271. Chipcon CC2431 Intel 8051. IRIS Atmega 1281-based. EM 250 XAP2B (16 bit µP). IMOTE Intel PXA271. Memoria. 32 MB. 128KB. 128KB. 128KB. 32 MB. Radios. 802.15.4. 802.15.4. 802.15.4. 802.15.4. 802.15.4. Puertos. UART 3X GPIOs. USART GPIOs. I2C GPIOs. Insight V. UART. UART USB. Procesador. Cuadro 4.1: Tabla Comparativa de Módulos Disponibles en LabElec. 4.2.. Espacio de Diseño. Antes de empezar la etapa de diseño de componentes, es necesario tener claro el espacio de diseño según la necesidades del problema. En [19] se especifican algunos de los parámetros más importantes en redes sensoriales inalámbricas. El espacio de diseño identifica algunas caracterı́sticas importantes de la red a diseñar. Esto incluye parámetros como movilidad, conectividad, costos, tamaño, topologı́a, cobertura, etc. Entre estos parámetros, cabe resaltar que la red será estática y la ubicación de sus nodos será escogida con anterioridad. La comunicación entre nodos se hará de manera intermitente, ya que el monitoreo no se hará de manera continua. Se espera que el.

(23) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 17. ciclo de vida sea de varios años, y que la red sea robusta, segura y resistente a algunas alteraciones externas. Los parámetros de calidad de servicio (QoS) se basarán el los protocolos de red Zigbee, ya éstos proporcionan una comunicación segura y tolerante a fallas. Teniendo claros estos parámetros, se puede empezar con el diseño del hardware y software del sistema para cumplir estos parámetros. Espacio de Diseño Despliegue Movilidad Costo, tamaño y energı́a Heterogeneidad Infraestructura Topologı́a Cobertura Conectividad Ciclo de Vida Tamaño de Red QoS. Plataforma de Monitoreo Una vez y escogido. Ninguna Pequeño, barato y eficiente Homogéneo Basado en Infraestructura Hı́brida (Mesh & Estrella) No-densa Intermitente Largo Pequeña (100s) Robusto, seguro, resiste alteraciones. Cuadro 4.2: Parámetros escogidos en el espacio de Diseño.. La topologı́a de red es hı́brida ya que el sistema cuenta con una capa de comunicación XBee y una de mayor nivel en GPRS. La red XBee tiene una arquitectura P2P y su topologı́a fı́sica es mesh. Esto se debe a que dos nodos lectores pueden estar dentro del rango de transmisión y pueden existir intermediarios entre un nodo lector y el nodo coordinador. Esta decisión se apoya en los protocolos ya existentes para redes XBee. La red GPRS tiene una topologı́a en estrella, ya que la comunicación entre la estación base y los nodos siempre es directa. El sistema de comunicación se podrı́a ver en dos capas, la de Zigbee (ZB) y la de GPRS/IP, como se muestra en la figura 4.1..

(24) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 18. Figura 4.1: Topologı́a de la Red en Dos Capas.. 4.3.. Software. El microcontrolador ATmega328 es compatible con el ambiente de desarrollo Arduino. El bootloader 1 de Arduino facilita el desarrollo y permite el uso de librerı́as desarrolladas por miembros de la comunidad de Arduino. Entre estas, se podrı́a destacar la librerı́a NewSoftSerial [7], que permite emular un puerto UART por medio de dos pines digitales de propósito general. Aunque tiene limitantes, la librerı́a permite múltiples conexiones seriales simultáneas. También se destaca la librerı́a XBee [18]. Esta librerı́a se encarga de implementar la comunicación con el radio en modo API. El uso de estas librerı́as facilitó enormemente el desarrollo, ya que permitió empezar con la aplicación y no con la tecnologı́a. En la figura 4.2 se puede apreciar un diagrama de bloques de los nodos lectores. Todos los nodos de la red tendrán un lector que les permitirá leer hasta 5 sensores dentro de su su rango de lectura (10 m). Este lector se comunicará con el microcontrolador y dependiendo de la lógica de control implementada, se utilizará un medio de comunicación. Si el nodo es el coordinador de su red, utilizará el modem GPRS para registrar la lectura en el servidor web. De lo contrario, utilizarı́a el radio XBee para enviar la información al coordinador. 1. El bootloader es el programa que se ejecuta por defecto en el microcontrolador y permite programar desde el IDE de Arduino sin necesitar un programador externo..

(25) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 19. Figura 4.2: Diagrama de Bloques El punto de vista de información muestra de dónde proviene la información y por qué componentes, o procesos pasa. La figura 4.3 muestra el diagrama de flujo de información realizado en Unified Modeling Language (UML). Este lenguaje permite describir los componentes de una manera gráfica e intuitiva. Aquı́ se muestra cómo la información se origina en los sensores, es leı́da y procesada por el nodo lector. Luego, la información se transmite al nodo coordinador por medio de la red XBee. Cuando el paquete de información llega al nodo coordinador, éste reenvı́a la información al servidor web por medio de la red GPRS. El servidor procesa la información y la guarda en un repositorio. Este aplicativo web será el encargado de asociar el nodo lector y sus sensores asignados y en caso de estar ausente una lectura por un tiempo determinado, se genera la alarma correspondiente. Aunque resulta útil analizar el sistema desde el punto de vista de información, no se puede apreciar el sistema completo con todos los componentes.. Figura 4.3: Diagrama de Flujo de Información.

(26) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 20. El sistema completo tiene varios componentes, incluyendo el nodo lector, el nodo coordinador y el servidor web. El diagrama de componentes se puede apreciar en la figura 4.4. El nodo lector se compone de un Hardware Abstraction Layer (HAL), quien se encarga de la comunicación e interpretación de los sensores. El componente de comunicaciones (COM) recibe la información de control, y la transmite hacia el nodo coordinador. El nodo coordinador es quien registra las lecturas con el componente GPRS. Esta información llega a un servidor web quien registra todas las lecturas en un repositorio. En caso de tener lecturas criticas, puede generar una alerta, ya sea en forma de SMS o de correo electrónico. El componente de monitoreo web en el servidor es quien permite que otros usuarios puedan ver de manera contı́nua el estado de todo el sistema.. Figura 4.4: Diagrama de Componentes del Sistema Completo..

(27) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 21. La información enviada por los nodos lectores incluye las lecturas de los sensores y la identificación del lector. Sin embargo, en el repositorio no sólo guarda la información dinámica de los registros, también guarda toda la información del sistema. El modelo Entidad-Relación es una herramienta importante para representar la información pertinente de in sistema. El diagrama se muestra en la figura 4.5. La entidad registros en quien recibe la información de los nodos lectores. La entidad sensores está relacionada con los lectores que tiene pre-asignados. La entidad lectores se basa en la información proporsionada por Codensa, que incluye la dirección y su ubicación2 . Estos lectores están ubicados en un barrio. Los nodos GPRS (o coordinadores) son un caso especial del lector, y la entidad subred relaciona un coordinador con los demás nodos de su red. Cabe notar que la información se encuentra centralizada en el servidor. Esta decisión de diseño se soporta en el hecho de tener clientes ligeros, y poder implementar la lógica del sistema en el lado del servidor.. Figura 4.5: Diagrama Entidad-Relación del Sistema. 2. La ubicación fue luego transformada al sistema de latitud y longitud utilizando un punto georeferenciado y aproximando el área de interés a un plano. Con esta aproximación, se calcularon todas las latitudes linealmente y tienen una error de precisión en el orden de decı́metros..

(28) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 22. Los diagramas anteriores dan una vista general del sistema. Sin embargo, faltarı́a un poco de detalle para entender el funcionamiento interno de cada nodo. El nodo lector resulta el más interesante ya que hace más que sólo leer sensores. Hay tres casos en los cuales los nodos lectores deben registrar en el servidor sus lecturas: (1) Detectó la ausencia de un sensor de hurto o la alteración del nodo, (2) Ha pasado el tiempo máximo de inactividad, o (3) Ha registro un consumo predeterminado en algún medidor. Si no se cumple ninguna de estas condiciones, el nodo espera. Esta máquina de estados se puede apreciar en la figura 4.6. Si las señales del primer caso (hurto y alteración) fueran señales digitales (de 1 bit) se podrı́an utilizar interrupciones para lograr este funcionamiento. Sin embargo, la señal de hurto vendrá del lector que aún no se ha terminado de desarrollar y posiblemente se transmita el código por el puerto serial. Por otro lado, el sensor de proximidad para detectar alteraciones puede llegar a necesitar una etapa de acondicionamiento.. Figura 4.6: Diagrama de Estados UML del Componente Lector. El nodo coordinador tiene un tarea simple: todo lo que recibe de la red Zigbee, tendrá que reenviarlo al servidor web por medio del módulo GPRS. La transmisión por GPRS tiene varios pasos intermedios antes de la transmisión TCP/IP. Para empezar, el módulo debe estar conectado (por GSM) a la red del operador móvil. Una vez conectado el módulo deberá configurar los parámetros de conexción a la red GPRS, configurar el contexto, y activarlo. Una vez esté activo el contexto PDP, se podrá realizar la configuración de los parámetros TCP, realizar la conexión, y transmitir datos..

(29) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 23. Este diagrama de actividad se muestra en la figura 4.7. Sin embargo, este funcionamiento no siempre es tan ideal. En ocasiones, la activación del contexto falla, el módulo se desconecta de la red GPRS, etc. En el caso de tener cualquier error, es necesario volver a empezar la actividad.. Figura 4.7: Diagrama de Actividades UML del Componente Coordinador.. 4.4.. Hardware. Partiendo de las decisiones anteriores, se decidió implementar una plataforma que contara con la lógica de control (ATMega318) y un módulo de comunicación (XBee). En la primera etapa, se utilizaron varios Arduinos Duemillanove para realizar pruebas. Estas tarjetas permiten desarrollar con algunos componentes genéricos, y con el uso de shields. El shield es otra tarjeta que se conecta a la tarjeta principal, y contiene sólo los componentes adicionales. El primer shield que se desarrolló tenı́a los componentes para emular el funcionamiento de los sensores. El desarrollo de una plataforma completa es un proceso largo lleno de depuración y revisiones técnicas. Sin embargo, gracias a la ayuda de la comunidad Arduino c , existen muchos esquemáticos opensource de reducen el costo y tiempo de desarrollo. Uno de estos, [16], sirvió como punto de partida para esta plataforma, ya que incluye.

(30) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 24. los componentes mı́nimos para su funcionamiento. Una tarjeta Arduino normalmente incluye un puerto USB y su correspondiente conversor de RS-232 a USB. Esto es útil en las versiones de desarrollo, pero agregan costos innecesarios a la versión final. Por esta razón, sólo se dejan los pines disponibles para la conexión externa de un conversor en caso de necesitarlo para efectos de depuración. La entrada serial del Xbee tiene un dividor de voltaje ya que la salida del µC es de 5V y el radio funciona con 3.3V. No es necesario hacer un step-up entre XBee y el arduino por que los pines digitales del µC son colector-abierto y cualquier voltaje por encima de 1 V es leı́do como un alto lógico. En la figura 4.8 se puede apreciar el esquemático del dispositivo diseñado. En la tabla 4.4 se muestran los componentes utilizados en el dispositivo completo. Cabe notar que este diseño modular permite incorporar cualquier tarjeta compatible en pines. De esta manera, se realizó un módulo externo para emular los sensores de manipulación.. Figura 4.8: Esquemático del Dispositivo Final.

(31) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 25. Componente Valor Condensadores 22pF, 0.1uF, 10uF Resistencias 220, 240, 10K, 15K Cristal Oscilador 16 MHz Reguladores 7805, Zener 3.3V Microcontrolador ATMega328 Sensores CNY70, Lector y Tags RFID Misc. Switches, LEDs, Regletas, Pulsadores Cuadro 4.3: Componentes Utilizados. El sensor de proximidad CNY-70 fue utilizado para detectar la manipulación del nodo lector. Este sensor indica a través de su voltaje la distancia entre el sensor y una superficie encima de él. La implementación de este sensor está detallada en el apéndice B, y el resultado que arroja es un voltaje alto cuando la carcaza del nodo está cerrada y voltaje bajo cuando está a más de 1 cm del sensor.. 4.5.. Alternativas de Diseño. En la etapa de diseño se descartaron las tecnologı́as alámbricas debido a las restricciones del proyecto. No es factible operar un modem PLC con baterı́a por tiempos superiores a 10 dı́as. Adicionalmente, existen grandes restricciones de alcance: un modem del fabricante Linksprite no permite más de 3 saltos de 91m cada uno[22]. El caso de prueba a desarrollar en el barrio Carvajal tiene una distancia promedio entre lectores de 636 M. Se necesitarı́a partir el área en muchos subconjuntos para cumplir la restricción de alcance. Adicionalmente su costo es elevado con respecto a los medios inalámbricos del mismo alcance sin tener la misma escalabilidad de éstos. Sin embargo, esta tecnologı́a es muy utilizada en otros contextos y sin no existiera la restricción de energı́a pudo haber sido contemplada como alternativa. A nivel de tecnologı́as inalámbricas, existen muchas otras tecnologı́as. Sin embargo, en las demás tecnologı́as encontradas, se encargan de resolver sólo la capa fı́sica; hubiera sido necesario implementar los algoritmos de enlace y de red. Tı́picamente.

(32) CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO. 26. estos radios se pueden comprar como transmisores, receptores, o transreceptores. Es viable, dado el espacio de diseño previamente definido, diseñar e implementar algoritmos de red para estos radios y cumplir con requerimientos funcionales. En la puerta de enlace no hay tantas alternativas, ya que el nodo coordinador estará ubicado en un poste. Una posible alternativa serı́a acumular la información en este nodo, y hacer una descarga manual de la información. En la parte web, existen muchas opciones en tecnologı́a. Para este proyecto se decidió utilizar PHP yen conjunto con MYSQL por su facilidad de uso y bajo costo. Sin lugar a dudas, se puede diseñar esta parte del sistema en cualquier otro lenguaje de programación y manejador de base de datos. Aunque existen muchas alternativas de diseño, se han elegido las más apropiadas para el contexto especı́fico del problema. Las tecnologı́as escogidas tienen un buen alcance, bajo consumo de potencia y el desempeño adecuado para la plataforma de monitoreo..

(33) Capı́tulo 5 Implementación y Resultados Una vez finalizado el diseño de los componentes del sistema, se inició la implementación. Esta etapa se puede dividir en dos desarrollos semi-independientes. El desarrollo web se realizó de manera independiente una vez determinado cómo serı́a la interfaz entre el coordinador y el servidor. Debido a la tarea importante que ya tenı́a el coordinador de cada red, se decidió que el lector generarı́a la cadena XML con los valores de interés. Esta cadena será simplemente retransmitida por el coordinador, y será el servidor web quien analiza los campos de la cadena XML.. 5.1.. Descripción de la Implementación. La página web se desarrolló utilizando PHP y MYSQL. Existe un script, registrar.php, que recibe la cadena XML del coordinador. Esta cadena es parseada y procesada para verificar si hay un caso de alerta. Los casos de alerta son: (1) Hay un sensor ausente, o (2) Un lector ha sido alterado. En caso de alerta, se genera una comunicación, ya sea un mensaje SMS, o un correo electrónico. Una ves procesada la información, se guarda en una base de datos para consultas posteriores. Se desarrolló un portal para hacerle seguimiento a esta información. El portal principal utiliza Google Maps c para visualizar las información de una manera georeferenciada. Los nodos lectores son representados por un cuadro. Si el cuadro es rojo, es por que se ha presentado un caso de alerta involucrando este lector, de lo contrario 27.

(34) CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS. 28. es verde. Adicionalmente se muestra, en pestañas diferentes, la misma información clasificada por nodos lectores o por sensores. Esto facilita la verificación de los detalles de cada registro. En la figura 5.1 se puede apreciar una imagen de la página principal.. Figura 5.1: Página Web para Monitorear la Red El funcionamiento de esta página se basa en el constante flujo de información proveniente de los nodos lectores. Cada nodo tiene asignado un número determinado de sensores que varı́a entre 2 y 5 lectores, dependiendo de la ubicación. Esta asignación ocurre antes del despliegue de la red, cuando se particiona el área de prueba para cumplir las restricciones de alcance de la tecnologı́a de comunicación. El lector se encargará de comunicarle al microcontrolador qué sensores están presentes dentro del rango de lectura. Tras la lectura de sensores, se determina si es necesario realizar la transmisión según las condiciones establecidas en 4.6. En caso de cumplirse alguna condición de transmisión, se generá una cadena XML con los valores de interés que será transmitida por el radio XBee hacia el coordinador de la red. El coordinador a su vez retransmite esta información por módulo GPRS hacia el servidor web..

(35) CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS. 29. Debido a que los sensores principales y sus respectivos lectores están actualmente en desarrollo, se decidió emular su funcionamiento con componentes comerciales. La tabla 5.1 contiene los parámetros de monitoreo escogidos y sus respectivos componentes de emulación. El lector RFID emuları́a la identificación de un sensor por medio de un código hexadecimal de 10 dı́gitos. Para indicar si el sensor está presente o ausente, se decidió utilizar un pulsador. Para indicar la ausencia de un sensor, se debe presionar el pulsador en el momento de la lectura por RFID. Aunque en el sistema final no se planea medir el consumo, éste se emulará por medio de un pulsador. Cada pulso representarı́a un KWH consumido por el medidor asignado al sensor leı́do inmediatamente después. Por cada tag leı́do, este contador se resetea para el siguiente sensor. Sensor Hurto Consumo Alteración. Emulador Funcionamiento RFID & Pulsador Tag RFID identifica sensor, pulsador representa la lectura del sensor. Pulsador Cada pulso representa un KWH consumido en el último sensor leı́do. CNY-70 Sensor de proximidad detecta cuándo la carcaza se abre.. Cuadro 5.1: Componentes utilizados como Sensores. Cada nodo lector estará dentro de una carcaza. Se utilizó un sensor de proximidad para detectar cuándo se abre esta carcaza. En el estado normal, la carcaza estarı́a muy cerca del sensor de proximidad, y abrirse, la lectura del sensor indicarı́a un valor diferente. De esta manera se espera detectar adecuadamente cuándo se está alterando un nodo lector. Cabe notar que la lectura de este sensor se envı́a en cada transmisión del nodo. El hardware del nodo coordinador fue el desarrollo más complicado, ya que tenı́a la mayor cantidad de componentes. Con ánimo de divir el problema en 2, se decidió utilizar el esquema de conexión tı́pico en tarjetas Arduino para la elaboración de los nodos lectores y a su vez, el coordinador. En la figura 5.2 se pueden apreciar los.

(36) CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS. 30. componentes principales para el desarrollo de los nodos lectores y coordinadores. En la figura 5.3 se puede apreciar el layout de la tarjeta de sensores. El diseño permite ponerlo encima de la tarjeta base, mostrado en la figura 5.4.. (a) Radio XBee. (b) Módulo RFID. (c) Microcontrolador. (d) Módulo GPRS. Figura 5.2: Componentes Principales para los Nodos de Red. 5.2.. Resultados. En la etapa de implementación, se desarrollaron todos los componentes necesarios para una versión funcional del sistema. Estos componentes fueron probados de varias maneras. Durante el desarrollo, se realizaron pruebas unitarias para verificar el funcionamiento individual de cada componente de comunicación, empezando por la red Zigbee, y luego con la red GPRS. Los componentes de software ubicados en el servidor web se probaron por aparte..

(37) CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS. Figura 5.3: Shield Desarrollado para Emular los Sensores.. Figura 5.4: PCB del Módulo Desarrollado. 31.

(38) CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN Y RESULTADOS. 32. Para probar la red Zigbee, se utilizó un Arduino con un XBee Serie 2 de 1 mW y un lector RFID de Priority One Design. Al acercar un tag RFID al lector, se efectuaba la lectura y se enviaba el código hexadecimal de 10 dı́gitos por el puerto serial. El alcance de este lector de es aproximadamente 5 cm. Una vez el microcontrolador recibe la información por el puerto serial, lo retransmite por otro puerto serial conectado al radio XBee. La cadena transmitida está en formato XML para facilitar el análisis del registro en el lado del servidor. En la sección A.2 se detalla cómo se obtuvo el resultado. El nodo coordinador, recibe la información por el puerto serial conectado al radio XBee e inmediatamente la retransmitı́a por el modem GPRS hacia el servidor web. Para efectos de depuración, se conectó el puerto UART a una terminal para verificar su funcionamiento interno. En el apéndice A.1 se detalla el proceso interno del registro. Para probar el aplicativo web, se realizaron pruebas de carga sobre un servidor web de las siguientes especificaciones: Procesador Intel Core 2 Duo, 2 GB de RAM, Ubuntu 10.9 Server Edition. Se creó un script en shell para generar de manera concurrente, 500 peticiones al servidor en menos de 15 segundos. En el peor de los casos, el servidor respondió en menos de 500 ms. Las pruebas realizadas imitan el funcionamiento de lo que serı́a la plataforma de monitoreo una vez terminado el desarrollo de los sensores de manipulación y sus lectores. La información enviada por medio de las redes XBee y GPRS incluı́a el código RFID leı́do, la identificación del nodo lector, el valor del contador de consumo de energı́a y del sensor de proximidad. Estos datos fueron procesados por la plataforma web y guardados en el sistema de información mostrado en la figura 4.5. La información se podı́a monitorear en la página web detallada en la figura 5.1..

(39) Capı́tulo 6 Conclusiones 6.1.. Discusión. En este proyecto de grado, se ha desarrollado una plataforma para monitorear sensores de manipulación ubicados en medidores de energı́a eléctrica. Aunque estos sensores están siendo actualmente desarrollados por el Grupo GEST de la Universidad de Los Andes, como parte de este proyecto se ha desarrollado el sistema que permite emular el funcionamiento de dichos sensores. Una vez terminados los sensores con su respectivo sistema de lectura, será muy fácil incorporarlos a la plataforma desarrollada gracias a la modularidad del sistema. Toda la plataforma se desarrolló teniendo el cuenta el espacio de diseño del problema. Una vez se decidieron los parámetros básicos se buscaron las alternativas de tecnologı́a apropiadas para la implementación del sistema. Se evaluaron las diferentes tecnologı́as disponibles para el desarrollo del proyecto teniendo en cuenta las especificaciones y restricciones del problema. Para facilitar la interacción del usuario con el servidor, se utilizaron componentes Web 2.0. La información georeferenciada se utilizó en conjunto con Google Maps c , con el fin de brindar la información georeferenciada en un formato más entendible para el usuario. Adicionalmente, se puede visualizar la información en forma tabular para analizar los detalles de los registros. La comunidad de Arduino ha desarrollado varias librerı́as que facilitan el desarrollo 33.

(40) CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES. 34. de muchas aplicaciones. Varias de estas librerı́as fueron utilizadas para la implementación de los protocolos de comunicación. En términos de hardware, el diseño modular permite conectar fácilmente módulos externos. Se desarrolló un módulo externo para emular el funcionamiento del sensor se manipulación dadas sus especificaciones.. 6.2.. Trabajo Futuro. Los módulos desarrollados tuvieron en cuenta los parámetros del espacio de diseño definido en la etapa de diseño. Sin embargo, la plataforma se desarrollo un poco antes de que se terminara el diseño y la especificación de los sensores a monitorear. Para que esta plataforma de monitoreo funcione con los sensores que serán desplegados en el área de prueba, será necesario realizar algunos cambios. En el mejor de los casos, el lector tendrá una interfaz serial que transmitirá los códigos de los sensores presentes en su área de lectura. Adicionalmente, hay lugar para algunas mejoras del sistema desarrollado hasta el momento. Dependiendo del esquema de lectura de sensores, se podrı́a pensar en combinar varias lecturas dentro de un sólo mensaje. Esto evidentemente reducirı́a el número de conexiones creadas y de información enviada por cada nodo lector.. 6.3.. Conclusiones. Se desarrolló una plataforma de monitoreo para sensores de manipulación de medidores de energı́a eléctrica. Dado que estos sensores y sus lectores aún están en desarrollo, se desarrolló un módulo que emula el funcionamiento del sensor. El diseño de la plataforma se hizo de manera modular para facilitar la integración del lector al nodo de red. Se implementaron protocolos de comunicación que dividen la red en dos capas: una capa Xbee y otra GPRS. Adicionalmente, se desarrolló un aplicativo web para facilitar el seguimiento de los sensores en la red. Se fabricaron los nodos diseñados y se realizaron diferentes pruebas para verificar su funcionamiento. Durante las pruebas, se registraron los distintos códigos en un rango de tiempo de 10 a 20 segundos con un salto en la red XBee..

(41) Bibliografı́a [1] C. Brasek. Urban utilities warm up to the idea of wireless automatic meter reading. Computing and Control Engineering, 15:10, 2004. [2] L. Cao, W. Jiang, and Z. Zhang. Networked Wireless Meter Reading System Based on Zigbee Technology. In Control and Decision Conference, 2008. CCDC 2008. Chinese, pages 3455–3460, 2008. [3] Liting Cao, Wei Jiang, and Zhaoli Zhang. Automatic Meter Reading System Based on Wireless Mesh Networks and SOPC Technology. 2009 Second International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems, pages 142–145, November 2009. [4] Bo Chen, Mingguang Wu, Shuai Yao, and Ni Binbin. ZigBee Technology and Its Application on Wireless Meter-reading System. 2006 IEEE International Conference on Industrial Informatics, 00:1257–1260, August 2006. [5] Moonsuk Choi, Seongho Ju, and Yonghun Lim. Design of integrated meter reading system based on power-line communication. 2008 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, pages 280–284, April 2008. [6] Faouzi Derbel.. Trends in smart metering.. 2009 6th International Multi-. Conference on Systems, Signals and Devices, pages 1–4, March 2009. [7] Mikal Hart et al. A New Software Serial Library for Arduino, 2010.. 35.

(42) BIBLIOGRAFÍA. 36. [8] Hong-jiang He, Zhu-qiang Yue, and Xiao-jie Wang. Design and Realization of Wireless Sensor Network Gateway Based on ZigBee and GPRS. 2009 Second International Conference on Information and Computing Science, pages 196– 199, May 2009. [9] Zhi-Ye He and Peng Jiang. Design of Wireless Gateway Based on ZigBee and GPRS Technology. 2009 International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering, (20060246):1–4, December 2009. [10] Luo Hui. A Meter Reading System Based on WSN. Energy Engineering, pages 4–7, 2010. [11] Digi International. XBee/XBee-PRO RF Modules: Product Manual, 2009. [12] Lin Jianyi, J Xiulong, and M Qianjie. Wireless monitoring system of street lamps based on ZigBee. Wireless Communications,, pages 2–4, 2009. [13] Tarek Khalifa, Kshirasagar Naik, and Amiya Nayak. A Survey of Communication Protocols for Automatic Meter Reading Applications. IEEE Communications Surveys & Tutorials, pages 1–15, 2010. [14] Li Li, Xiaoguang Hu, and Weicun Zhang. Design of an ARM-based power meter having WIFI wireless communication module. 2009 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, pages 403–407, May 2009. [15] Shen Lin and Ling Ming. A wireless network based on the combination of Zigbee and GPRS. Communication, pages 267–270, 2008. [16] Applied Platonics. Volksduino: complete low-cost Arduino clone, 2010. [17] Aryo Handoko Primicanta, Mohd Yunus Nayan, and Mohammad Awan. Hybrid Automatic Meter Reading System. 2009 International Conference on Computer Technology and Development, pages 264–267, November 2009. [18] Andrew Rapp. Arduino library for communicating with XBees in API mode, Diciembre 2010..

(43) BIBLIOGRAFÍA. 37. [19] K Romer and F Mattern. The design space of wireless sensor networks. Wireless Communications, IEEE, (5005), 2004. [20] Spreadtrum. SM5100B-D GSM/GPRS Module Specification, 2006. [21] HGR Tan. Automatic Power Meter Reading System Using GSM Network. ieeexplore.ieee.org, pages 465–469, 2007. [22] Linksprite Technologies. UART/RS232/RS485/USB/Ethernet Over Powerline Communication Transceiver Module: User Manual., 2009. [23] L I N Weijie, W U Qiuxuan, and Huang Yuewen. Automatic meter reading system based on power line communication of LonWorks. International Technology and Innovation Conference 2009 (ITIC 2009), pages 13–13, 2009..

(44) Apéndice A Pruebas Unitarias A.1.. Red GPRS. Parte de las pruebas realizadas para verificar el funcionamiento del módulo GPRS era la notificación de cada acción por el puerto UART. Las notificaciones del µC se podı́an ver en el computador a través de una terminal. A continuación se presentan las notificaciones para el proceso de registro al servidor web tal como fue diseñado en la figura 4.7. Las lı́neas 1-5 muestran cuando el módulo se registra a la red GSM. En la 7-8 se conecta a la red GPRS. Este paso puede llegar a demorarse minutos, ya que depende la señal de la red. En las lı́neas 9-10, se configura y se activa el contexto PDP. Una vez más, este paso puede llegar a fallar las primeras veces, arrojando un error. Sin embargo, a cabo de 2-5 intentos, logra activar el contexto PDP. Las lı́neas 11-15 detallan los pasos de la conexión TCP/IP. La lı́nea 13, con el estado “0104” indica que el socket está abriendo la conexión, mientras el estado “0102” de la lı́nea 14 indica que se ha podido conectar con el servidor. Las últimas lı́neas, 16-17, son la notificación del módulo que recibió información del servidor (16) y que el servidor terminó la conexión (17). Este proceso puede tomar entre 10 y 20 segundos. Aunque se puede iniciar otra conexión TCP, es posible que se haya desconectado de la red GPRS. En este caso, necesitarı́a iniciar de nuevo la activación del contexto PDP.. 38.

(45) APÉNDICE A. PRUEBAS UNITARIAS. 39. 1 +SIND : 1 2 +SIND : 1 0 , ”SM” , 1 , ”FD” , 1 , ”LD” , 1 , ”MC” , 1 , ”RC” , 1 , ”ME” , 1 3 +SIND : 7 4 +SIND : 3 5 +SIND : 4 6. Modem Ready !. 7 +CGATT: 0 OK OK 8 +CGATT: 1 OK 9 S e t t i n g up PDP Context : OK 10 A c t i v a t i n g PDP Context : OK 11 C o n f i g u r i n g TCP c o n n e c t i o n t o TCP S e r v e r : OK 12 S t a r t i n g TCP Connection : OK 13 S o c k e t S t a t u s : +SOCKSTATUS:. 1 , 0 , 0 1 0 4 , 0 , 0 , 0 OK. 14 S o c k e t S t a t u s : +SOCKSTATUS:. 1 , 1 , 0 1 0 2 , 0 , 0 , 0 OK. 15 Sending Data :. GET / HTTP/ 1 . 0 OK. 16 +STCPD: 1 17 +STCPC: 1. A.2.. Red Zigbee. La red Zigbee fue probada con un nodo lector y nodo coordinador. Una vez el nodo lector recibı́a el código del sensor, se generaba la cadena XML para transmitir al nodo coordinador. A continuación se presenta las notificaciones del nodo lector: Se ha l e i d o e l c o d i g o : 210014CC84 Enviado : <x><s >210014CC84</s><l >2</l ><p>0</p><k>3</k></x> Al lado del coordinador, el valor recibido por el radio XBee es guardado, para luego transmitirlo por la red GPRS como se muestra en la sección A.1. Para efectos de la prueba de la red Zigbee, sólo se muestra en pantalla lo recibido. R e c i b i d o : <x><s >210014CC84</s><l >2</l ><p>0</p><k>3</k></x>.

(46) Apéndice B Caracterización del Sensor de Proximidad El sensor de proximidad se utiliza para estimar la distancia entre la tarjeta del nodo y la carcaza. Se espera que la carcaza siempre esté pegada al sensor que tendrá una lectura de 4.95 V. A medida que se aleja la carcaza, cambiará la lectura de este voltaje. En la figura B.1(a) se puede apreciar el esquemático del montaje utilizado con el sensor CNY-70, y en la figura B.1(b) se puede apreciar la curva caracterı́stica del sensor para el esquemático anterior. La resistencia del diodo emisor es de 220 Ω, mientras que la resistencia del diodo receptor es de 10 KΩ.. (a) Esquemático utilizado con el sensor CNY-70. (b) Curva caracterı́stica del sensor CNY-70. 40.

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