Sistema Autoalimentado
Este proyecto pretende conseguir una solución no invasiva para medidas de consumo energético en cuadro eléctrico. Para ello, se ha diseñado un dispositivo auto-alimentado a partir del campo magnético generado en la misma línea que se pretende monitorizar y que, para transmitir la información, utiliza tecnologías inalámbricas. Igualmente se ha diseñado un sistema de gestión de la energía del dispositivo y un sistema de visualización de los datos recogidos.
1. MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
En la actualidad, los dispositivos de medida de energía en cuadro eléctrico son, en mayor o menor medida, invasivos. Este tipo de complicación puede ser debida a diversos motivos, tales como la necesidad de alimentar el dispositivo desde el mismo cuadro o incluso la instalación de transformadores que cambian el esquema de la instalación eléctrica.
Es decir, de uno u otro modo, la instalación del dispositivo requiere de la desconexión del cuadro eléctrico y la instalación de cableado adicional para alimentar el dispositivo o transmitir los datos que recoge el mismo.
El objetivo de este proyecto es ofrecer una manera sencilla de medir consumo eléctrico de forma no invasiva e inalámbrica, evitando cualquier tipo de modificación de la instalación o corte en el suministro eléctrico, así como cualquier cableado adicional para comunicaciones.
Igualmente es necesario que los datos medidos de este modo puedan ser almacenados y visualizados de forma sencilla por el usuario.
Ilustración 1: Representación gráfica de consumo energético en línea eléctrica
2. SOLUCIÓN
Para conseguir este objetivo se ha diseñado un dispositivo autoalimentado. Esto se consigue gracias a técnicas inductivas de Energy Harvesting, aprovechando los campos magnéticos inducidos alrededor de un conductor que transporta corriente para alimentar el dispositivo.
Ilustración 2: Campo magnético generado en un hilo conductor
De esta forma no es necesaria su alimentación desde la propia instalación del cuadro eléctrico sino que se recoge esta energía y se almacena en una pequeña batería, que será la que mantenga la alimentación del dispositivo en todo momento.
Este mismo conductor será el objetivo de las mediciones de energía, alternando entre la medición y envío de los datos de energía y el mantenimiento del nivel de carga de la batería del dispositivo.
Ilustración 3: Esquema general del sistema
Esto impone la necesidad de conseguir un consumo extremadamente bajo para el microcontrolador y sus periféricos, así como un sistema inteligente de gestión de energía, al ser la energía disponible muy limitada.
Los datos se envían de forma inalámbrica mediante Sigfox, una red inalámbrica especialmente pensada para dispositivos IoT de bajo consumo energético, baja tasa de envío de datos y largo alcance.
Ilustración 4: Esquema de la red Sigfox
La utilización de Sigfox facilita la comunicación y el control de los dispositivos desde cualquier punto del mundo, así como su utilización instalación en diferentes geografías, dada su amplia cobertura en Europa occidental (95% de cobertura en España), Estados Unidos, Australia, Nueva Zelanda, Sudáfrica, Japón y gran parte de Sudamérica. Además, Sigfox se caracteriza por ser una tecnología muy eficiente desde el punto de vista del consumo energético en las transmisiones.
Para utilizar esta tecnología ha de usarse un transceptor compatible. Para este proyecto se ha utilizado LoPy debido a que cumple con los requisitos mencionados anteriormente: modos de bajo consumo, múltiples pines de propósito general y transceptor compatible con Sigfox.
Ilustración 5: Componentes de LoPy4
Para el almacenamiento y visualización de datos se ha desarrollado un servidor Web que sirve una API RESTful que pueda ser utilizada por clientes externos para la explotación de los datos almacenados en una base de datos. Para ello, se han utilizado las tecnologías de Node.js, Express y MongoDB como base de datos. Con el desarrollo de la API RESTful, se permite ofrecer por tanto una capa de abstracción que puede ser utilizada por distintos clientes finales para multitud de posibles propósitos. La propia API de Sigfox representa un cliente externo de esta API RESTful realizando peticiones HTTP POST a la misma cada vez que recibe medidas procedentes de los dispositivos siendo estas almacenadas en la base de datos de MongoDB. Finalmente, se ha desarrollado un cliente Web con AngularJS que, mediante peticiones HTTP GET (listado de medidas por dispositivo, por fecha, etc.) enviadas a la API RESTful permite ofrecer una aplicación de visualización para la generación de gráficas a partir de los datos almacenados; esto conforma el llamado MEAN stack (MongoDB, Express, AngularJS y Node.js).
Ilustración 6: MEAN Stack
3. PRUEBAS Y VALIDACIÓN DE RESULTADOS
Para llegar a un prototipo funcional con las características requeridas, se han seguido los pasos que se describen a continuación.
En primer lugar se ha hecho un estudio sobre los modos de bajo consumo (LPM) del microcontrolador para conseguir la menor demanda energética posible por su parte. Esto es crucial en el desarrollo del proyecto, ya que cuanto más bajo sea el consumo, mayor flexibilidad en el diseño se podrá tener.
Ilustración 7: Consumo de LoPy4 en modo de bajo consumo
El procesador alterna entre varios modos de funcionamiento, con mayor o menor consumo energético. Esto sucede porque la energía cosechada a partir de los campos magnéticos inducidos no es suficiente para mantener el microcontrolador con todas sus funciones activas de forma continua, siendo necesario conmutar a un estado de bajo consumo energético. Por tanto, el firmware del microcontrolador deberá estar en sintonía con el sistema de gestión de energía, pudiendo variar el periodo de transmisiones inalámbricas y medidas de consumo según la cantidad de energía disponible.
A continuación, se han llevado a cabo numerosas medidas sobre cuánta energía se puede llegar a extraer del campo magnético generado alrededor del conductor.
Ilustración 8: Señal captada del inductor (púrpura) y señal rectificada por condensador (verde)
Una vez comprobada la viabilidad del proyecto, el siguiente paso ha sido desarrollar el sistema de acondicionamiento de la señal y de gestión de energía, de forma que satisfaga la demanda energética del microcontrolador.
Este sistema de gestión de energía está formado por un condensador y una batería, de forma que se distribuye de forma eficiente la energía entrante al dispositivo y se le suministra al microcontrolador según sus necesidades.
Ilustración 9: Modos de funcionamiento del dispositivo
Por último, se ha desarrollado el firmware para el microcontrolador en conformidad con la energía disponible, así como el protocolo de transmisión de datos.
Ilustración 10: Firmware flowchart
Este firmware ha de ser capaz de satisfacer las restricciones impuestas anteriormente, así como adaptarse a los recursos disponibles en cada momento. Al mismo tiempo, debe asegurarse que la energía almacenada nunca llegue a ser nula, ya que el dispositivo podría quedar inutilizado.
4. CONCLUSIONES Y ACCIONES FUTURAS
Una vez realizadas las pruebas descritas anteriormente, se ha obtenido un dispositivo de medida de consumo en cuadro eléctrico completamente autónomo. Se ha logrado tomar registros de consumos eléctricos sin necesidad de alterar las instalaciones existentes ni desplegar nuevas líneas de alimentación y datos.
Ilustración 11: vista superior del dispositivo, con la LoPy4 y el PCB de Energy Harvesting
Este registro de medidas ha ayudado a ahorrar energía mejorando hábitos de consumo al mismo tiempo que se ha apoyado al medio ambiente reduciendo la contaminación.
Aún así, este prototipo puede ser mejorado, por ejemplo realizando medidas sobre líneas trifásicas o sobre varias líneas monofásicas. Esto supondría la implementación de un circuito de captación de energía más complejo aunque también, al haber más inductores, implicaría una mayor cantidad de energía recolectada y, por tanto, permitiría mayor periodicidad en las transmisiones.
El dispositivo también podría cambiar la frecuencia de medida de forma dinámica en función del estado actual de la carga, realizando más o menos medidas por unidad de tiempo.
Un siguiente paso a corto plazo implicaría reducir el tamaño del dispositivo mediante la utilización de componentes que permitan mayor integración, ya que este primer prototipo está pensado para probar la viabilidad de este proyecto.
Además, podría cambiarse la elección de la placa que contiene el microcontrolador, LoPy4, a la versión OEM, en vez de usar la versión de desarrollo, así como diseñar un prototipo propio con microcontroladores compatibles con Sigfox sin utilizar placas de otros fabricantes.
También se podría reducir el tamaño de la batería, ya que se ha utilizado una de 2200uAh, la cual ha resultado estar sobredimensionada. Esta reducción de tamaño también podría provenir de la sustitución de la antena por una más integrada.
Ilustración 12: Vista inferior del dispositivo, con la batería y la sonda amperimétrica.
Otras técnicas de Energy Harvesting, tales como la captación de ondas RF y el aprovechamiento de la luz solar, podrían ser implementadas en otros escenarios.
Para concluir, desde un punto de vista software, sería interesante aplicar algoritmos de Machine-Learning con el objetivo de reducir el consumo eléctrico o incluso predecir fallos en la línea eléctrica basándose en los patrones de consumo del usuario.
