Portal de Enlace Para Monitoreo y Control de Energía en Viviendas

Los pasados 3 meses de Enero a Marzo de 2012 estuve muy ocupado completando mi proyecto de ingreso para el "Desafío DesignSpark chipKIT" (DesignSpark chipKIT Challenge), una competencia internacional de diseño de proyectos de energía eficiente y ecológicos en torno a la nueva placa chipKIT Max32 lanzada recientemente por la compañía "Digilent" y organizada por "RS Components", una empresa de distribución mundial de componentes electrónicos.

Actualización: Me han asignado el Segundo Lugar en la mencionada competencia, mayores detalles en este enlace.

Mi proyecto de ingreso se denomina en inglés "Home Energy Gateway", que traducido al español sería algo así como "Portal de Enlace Para Monitoreo y Control de Energía en Viviendas", como siempre es más corto expresarlo en inglés que en español. El proyecto consiste básicamente de un servidor web embebido basado en la placa chipKIT Max32, la cual está basada a su vez en el microcontrolador Microchip PIC32MX795F512 de 32 bits y arquitectura MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages).

El proyecto consta también de una red inalámbrica de dispositivos inteligentes de dos tipos:

• Un Medidor Inteligente de Consumo de Energía (Smart Meter) que monitorea el consumo de la potencia real promedio en toda la vivienda.
• Varios Enchufes Inteligentes (Smart Plugs) a los cuales pueden ir conectados luces y otros dispositivos para el hogar (TVs, ventiladores, lavadoras, calefactores, etc.)

El chipKIT Max32, que en este caso viene a ser el Portal de Enlace (Gateway) se comunica inalámbricamente con los dispositivos inteligentes y al mismo tiempo se conecta mediante Ethernet a la Red de Area Local (LAN) en la casa, lo cual hace posible monitorear mediante una página web la información del consumo de energía provisto por el Medidor Inteligente y también controlar remotamente los Enchufes Inteligentes.

En este artículo les brindaré un resumen general del proyecto e iré complementando la información en el futuro con más esquemas, diagramas, fotos y detalles técnicos del proyecto.

Uno de los requisitos para participar en el desafío era presentar la documentación completa en inglés, por ese motivo debo todavía resumir y traducir la información que tengo preparada en inglés, al español para publicarla en el sitio. Entre los materiales que había que presentar en el informe final estaban los siguientes:

• Un resumen del proyecto (llamado "Abstract" en inglés).
• La documentación completa, que incluye la descripción del proyecto y su funcionamiento, código de programa, diagramas de circuito, diagrama en bloques y una fotografía del proyecto armado.
• Código Fuente, que incluye todos los archivos de código necesarios para ensamblar, compilar y construir el firmware para el proyecto. Todo el código debe compilar sin errores.
• Los archivos de las placas de circuito impreso  desarrollados en el software "DesignSpark PCB", el cual había que aprendérselo porque su uso obligatorio era parte de los requisitos del desafío.

Resumen del Proyecto

En los últimos años ha aumentado la preocupación en una escala global debido al consumo excesivo de energía que impacta directamente en la alarmante contaminación del planeta y el desgaste de recursos no renovables.

A nivel mundial hay un creciente interés en la sustitución del consumo de energía basada en carbón y petróleo por energía limpia extraída de fuentes alternativas como la energía solar y eólica. Sin embargo, no sólo la sustitución de fuentes de energía debe ser una preocupación, sino también la reducción del consumo excesivo de energía y el aumento de la eficiencia en el uso, metas que son actualmente compartidas por las agencias gubernamentales, compañías de distribución de energía eléctrica, organizaciones conservacionistas y los usuarios finales.

De acuerdo con estadísticas recientes en EE.UU. los mayores porcentajes de uso de la electricidad en los hogares son los siguientes: calefacción (40%), agua caliente (20%), aire acondicionado (8%), con un reciente aumento de la proporción relacionada con el uso de dispositivos electrónicos domésticos (31%).

El objetivo de este proyecto es diseñar e implementar el prototipo de un Portal de Enlace Para Monitoreo y Control de Energía en Viviendas que proporcione a los usuarios finales la capacidad de monitorear de forma remota el consumo de energía y controlar los dispositivos, así como las luces en sus casas. Para lograr esto, se ha implementado un Portal de Enlace / Servidor Web embebido basado  en la placa chipKIT Max32, el cual se comunica con dos tipos de dispositivos inteligentes en la casa: Un medidor inteligente que monitorea la media de consumo de potencia activa real de toda la vivienda y varios Enchufes Inteligentes en una Red Doméstica Inalámbrica, a los que se conectan los aparatos domésticos y las luces. El Portal de Enlace / Servidor Web recopila los datos del medidor inteligente y almacena también los estados de activación / desactivación para cada uno de los Enchufes Inteligentes, esta información a su vez, se sirve en una página web accesible a través de la LAN local en casa o una conexión remota de Internet utilizando un computador personal o un teléfono inteligente y un navegador web. Las páginas servidas incluyen la interfaz de usuario para modificar el estado de cada uno de los  Enchufes Inteligentes (encendido / apagado).

Para la Red Doméstica Inalámbrica, un protocolo de comunicación se ha desarrollado desde cero (como un ejercicio de aprendizaje), el cual se ha implementado usando transceptores RF de bajo costo y pequeños microcontroladores PIC de 8 bits. El protocolo es muy simple y proporciona la funcionalidad necesaria para la aplicación.

Mediante el monitoreo del consumo de energía eléctrica es posible obtener información en tiempo real del consumo de energía en la casa, logrando que el usuario final sea más consciente del aumento y disminución de la misma. La capacidad de controlar los dispositivos del hogar de forma remota y en tiempo real hace que el usuario esté más involucrado en el ahorro y el control del uso excesivo e ineficiente de la energía eléctrica.

Diagrama en Bloques

El sistema se compone principalmente de los siguientes dispositivos:

• Un Medidor Inteligente que acumula la media de consumo de potencia activa real de toda la casa. El Medidor Inteligente está conectado a la Red de Área Doméstica de Protocolo Inalámbrico Simple (Simple Wireless Protocol SWP). El Protocolo Inalámbrico Simple (SWP) ha sido desarrollado para este proyecto e implementado con tranceptores de bajo costo RFM12B de la compañía  Hope Electronics que funcionan en las bandas 433/868/915MHZ.
• Uno o más Enchufes Inteligentes SWP que hacen posible controlar los dispositivos del hogar, luces y otros dispositivos conectados a la Red de Área Doméstica SWP.
• El Portal de Enlace / Servidor Webdiseñado en torno a la placa chipKIT Max32 que se conecta simultáneamente a la la Red Inalámbrica de Área Doméstica SWP y también a la Red LAN a través de Ethernet y por ese medio, a Internet. Como su nombre lo indica, el Portal de Enlace hace posible el acceso remoto al Medidor Inteligente y a los Enchufes inteligentes desde una PC o teléfono inteligente utilizando un navegador web. El portal está configurado para funcionar como un servidor Web haciendo uso de la pila TCP/IP de Microchip y sus funciones principales son:
  • Pasar las comunicaciones entre los dispositivos domésticos inteligentes y los dispositivos remotos de acceso para el usuario, que por lo general será una PC o un teléfono inteligente. Desde la LAN local o a través de una conexión remota a Internet el usuario puede monitorear el consumo de energía en la casa y al mismo tiempo controlar (encender / apagar) los dispositivos conectados a los Enchufes Inteligentes.
  • Recabar los datos de consumo de energía en el formato de un conteo del número de pulsos por período de tiempo, el cual es directamente proporcional al consumo real de energía en KW/hora (similar a los tradicionales medidores de energía en viviendas) y luego servir esta información para el usuario.
  • Almacenar los estados (encendido / apagado) de los Enchufes Inteligentes y servir una interfaz en página web para cambiarlos.

La Red Inalámbrica de Área Doméstica SWP es una red de topología en estrella muy simple, en la que el Portal de Enlace asume el papel de "Coordinador" de la red y los dispositivos inteligentes asumen el papel de "Dispositivos Finales" que reaccionan a las peticiones recibidas desde el Coordinador, las cuales son básicamente de dos tipos: petición de envío de datos (lectura de sus puertos) o peticiones de acción (escritura a sus puertos).

Segundo Lugar en el "Desafío DesignSpark chipKIT 2012" (DesignSpark chipKIT Challenge 2012)

Este proyecto obtuvo el Segundo Lugar en la competencia internacional de diseño electrónico "Desafío DesignSpark chipKIT 2012". Ve los detalles de la noticia en este enlace.

Próximamente

En próximas publicaciones iré complementando con mayores detalles el diseño y la implementación del proyecto, algunos de los puntos que ampliaré son los siguientes:

Módulos de Hardware del Sistema

1. El Módulo del Portal de Enlace (Gateway)
2. El Módulo del Medidor Inteligente SWP
3. El Módulos para los Enchufes Inteligentes SWP

Módulos de Software del Sistema

1. Firmware Para el Portal de Enlace  (Gateway)
2. Firmware Para el Medidor Inteligente SWP
3. Firmware Para los Enchufes Inteligentes SWP

Diseño de Protocolo Inalámbrico Simple (SWP)

- Su implementación en los microcontroladores PIC16F628A y PIC32MX795F512.

Implementación del Servidor Web

- Implementación de la pila TCP/IP de Microchip en el PIC32MX795F512.

Hasta entonces.

Raúl Alvarez Torrico
www.TecBolivia.com

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