BatNET
Entidad financiadora:
Este proyecto ha sido financiado con fondos propios del CeDInt.
Fecha comienzo:
Lunes, 7 Enero 2013
Estado:
En ejecución
Red inalámbrica de sensores y actuadores basada en 6LoWPAN
BatNet es una red de dispositivos inalámbrica que utiliza IPv6 como protocolo principal de comunicaciones. Esto permite la intercomunicación entre todos los diferentes dispositivos creando una red tipo malla con una salida hacia internet a través de un concentrador.
El sistema BatNet actualmente incorpora dispositivos como: Medidor de consumo monofásico y trifásico, multisensor de variables ambientales, controlador de iluminación exterior e interior, enchufe conmutable con medidor de consumo y controlador de lámparas LED RGB, entre otros.
La comunicación inalámbrica utiliza el protocolo IEEE802.15.4 para los niveles físico y de control de acceso al medio. A continuación se emplea la especificación 6LoWPAN (IPv6 for Low Power Wireless Personal Area Networks) como capa de adaptación para IPv6 en el nivel de red. Por último, se emplea CoAP (constrained Application Protocol) en el nivel de aplicación que es una versión más ligera del protocolo de transmisión de texto HTTP.
Resumen del proyecto
BatNet es un sistema compuesto por diferentes tipos de dispositivos inalámbricos que forman una red en la que las comunicaciones se basan en el protocolo de internet IPv6. Las funciones de comunicación de los dispositivos son compartidas en todos ellos, pudiendo además integrar otras funcionalidades como medidores de consumo, controladores de iluminación o sensores ambientales entre otras.
Arquitectura modular de los nodos BatNet
La red está formada por dos clases de nodos:
- Nodo standard: Además de formar parte de la red controlan los diferentes sistemas de control y monitorización de variables eléctricas (BatMeter, BatPlug, BatSwitch), ambientales (BatSense) o de iluminación (BatDimmer, BatStreetLighting, BatAmbientLight, BatLEDs)
A su vez, esta clase de nodo se puede comportar de dos formas:
- Nodo repetidor: Además de ser nodo de red permite el paso de mensajes de otros nodos generando así una malla dinámica.
- Nodo hoja: Únicamente actúa como nodo de red y no retransmite mensajes de otros nodos.
- Nodo Border Router: se encarga de interconectar BatNet con una red IPv6, permitiendo la conexión con dispositivos o clientes externos. Se trata de un dispositivo de baja capacidad de proceso y consumo.
El acceso a los dispositivos de la red (bien para extraer información de los sensores, bien para mandar órdenes a los actuadores), se puede realizar de dos formas diferentes:
- BatLink: Es un microPC (BeagleBone) al cual se le acopla un Border Router. Esto permite tunelizar la red IPv6 de BatNet sobre IPv4 (en caso de necesidad) para facilitar el acceso a la misma por internet y ejecutar aplicaciones de monitorización y gestión directamente en el BatLink, donde además, se pueden almacenar gran cantidad de datos.
- BatMP: Es una plataforma software basada en Java que posibilita la interacción de los usuarios y aplicaciones con los dispositivos de BatNet mediante una interfaz REST. Permite la gestión completa y compleja de BatNet y el desarrollo de nuevas aplicaciones y servicios.
Fig. 1 Arquitectura del sistema
Comunicaciones
Se ha elegido una torre de protocolos para evitar problemas de interoperabilidad, coste y consumo y posibilitar la colaboración:
Fig. 2 Protocolos de la red de dispositivos
- IEEE 802.15.4: este estándar especifica las capas físicas y de acceso al medio para redes de área personal con bajas tasas de transmisión de datos. Se ha elegido la banda de 2.4GHz porque ofrece un gran número de canales y es de uso universal.
- 6LoWPAN: el grupo de trabajo 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) del IETF describe la adaptación de los paquetes IPv6 para las redes basadas en el IEEE 802.15.4 (capa de enlace). Entre otras cosas, adapta el tamaño de los paquetes y resuelve direcciones.
- IPv6/RPL: la tendencia es que IPv6 (Internet Protocol version 6) remplace a IPv4, para soportar el aumento del número de dispositivos interconectados (direcciones de 128-bits). RPL (IPv6 Routing Protocol for Low power and Loss Networks), definida por el grupo ROLL del IETF, optimiza el tráfico y minimiza los estados de enrutamiento.
- UDP: UDP (User Datagram Protocol) es idóneo para este tipo de redes debido a las características de sus atributos (simples, sin estado y cabeceras pequeñas).
- Interfaz de comunicación CoAP: CoAP (Constrained Application Protocol), es una adaptación del protocolo de nivel de aplicación HTTP aplicado a redes y dispositivos de bajas prestaciones. De esta forma se puede llevar a este tipo de redes el paradigma RESTful de diseño de aplicaciones en red [4].
Sistema operativo
Los dispositivos de BatNet utilizan Contiki, un sistema operativo de código abierto desarrollado en el SICS (Swedish Institute of Computer Science) diseñado para dispositivos de recursos limitados (memoria limitada y baja capacidad de proceso). Entre otras cosas, Contiki proporciona una implementación de la pila de protocolos TCP/IP, una adaptación del IEEE 802.15.4 y de IPv6/RPL.
Los dispositivos BatNet se pueden programar bien utilizando una conexión física (interfaces ISP y puerto serie) como de forma remota por OTAP (Over the Air Programming).
Desarrollo
Este proyecto ha sido desarrollado en su totalidad por el CeDInt y ha evolucionado en función de las necesidades que aparecían y las ideas que surgían.
BatMote: se trata de un nodo de propósito general que integrada la capacidad de procesado y comunicación así como los pines para la conexión libre de diferentes sensores y actuadores. Gracias a su versatilidad se ha utilizado para el diseño y desarrollo de otros dispositivos en su fase de prototipado.
BatMeter: es un dispositivo orientado a la instalación en cuadro eléctrico capaz de medir el consumo de hasta 6 líneas eléctricas de forma simultánea. El cálculo del consumo lo realiza midiendo la corriente de cada una de las líneas y el voltaje en tiempo real. También calcula la potencia real, la potencia aparente y el factor de potencia.
BatSense: es un dispositivo multisensor capaz de monitorizar la temperatura, humedad, luminosidad, presencia y ruido en interiores. Se alimenta por pilas o baterías y permite programar el intervalo de medición. El tiempo de vida de las baterías/pilas se prolonga gracias al uso del estado de bajo consumo o dormido.
BatStreetLighting: es un dispositivo orientado al control de luminarias LED en exteriores (farolas). Es capaz de regular el nivel de iluminación de las luminarias, y puede hacerlo bien bajo demanda o en función de las mediciones de los sensores de luminosidad y presencia que incorpora.
BatDimmer: es un dispositivo para el control de luminarias LED en interiores. Es capaz de regular el nivel de iluminación de las luminarias.
BatPlug: es un dispositivo con formato enchufe que permite el control on/off del elemento eléctrico conectado. Además, mide el consumo de dicho elemento en tiempo real.
BatSwitch: es un dispositivo con formato regleta que permite el control on/off de los elementos eléctricos conectados. Además, mide el consumo en tiempo real.
BatAmbientLight: es un dispositivo que varía el color de la iluminación ambiente (LED) en función de la temperatura, de forma que modifica en +/-1 ºC la sensación térmica. Además, se puede utilizar para la notificación de alarmas o señalización de estados.
BatLEDs: es un dispositivo de control de luz ambiente. Está preparado para controlar hasta 14 LEDs RGB de forma simultánea. El color se puede variar mediante control remoto (PC, Smartphone, etc.) y se pueden programar modos y secuencias de funcionamiento.
BatHop: es un dispositivo que tiene como función servir de nodo repetidor para aumentar el rango de alcance de la red.
Proyectos piloto
Los dispositivos que componen la red BatNet se han probado en las instalaciones del CeDInt, y parte de ellos se han instalado en los siguientes proyectos piloto:
Iluminación exterior inteligente del Campus del Montegancedo
Se han reemplazado las antiguas farolas de VSAP del Campus de Montegancedo por luminarias LED y se han integrado los dispositivos BatStreetLighting en cada farola para el control individual de las mismas. Se han implementado dos redes diferentes (Norte y Sur) que utilizan dos canales físicos diferentes para reducir la carga en el nodo concentrador. Los dispositivos se han programado de forma que las luminarias se encienden al anochecer (cuando detectan un nivel de luminosidad inferior al establecido) y lo hacen con un valor mínimo. Cuando una farola detecta presencia, aumenta el nivel de iluminación y avisa a sus farolas vecinas para que hagan lo mismo. Pasado un cierto tiempo, las farolas vuelven a reducir su nivel de iluminación al mínimo. Cuando amanece y se detecta un nivel de luminosidad superior al umbral establecido, las luminarias se vuelven a apagar. Con este funcionamiento, se minimiza el consumo eléctrico manteniendo una buena calidad de iluminación y se facilita el tránsito de los peatones.
Monitorización de consumos en Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP)
Se ha implementado una red BatNet para la monitorización de consumos eléctricos de forma desagregada de los invernaderos del Centro de Genómica de Plantas. Se han instalado 63 dispositivos BatMeter repartidos en 7 cuadros eléctricos de forma que se mide el consumo y otros parámetros eléctricos asociados de más de 350 líneas: iluminación, climatización, bombas, fitotrones, motores, lamas y maquinaria diversa. De esta forma, se pueden identificar los sistemas con un consumo excesivo y en los que se puede mejorar su eficiencia.
Invernadero experimental
Se ha sustituido la iluminación tradicional por luminarias LED (25 unidades) y se han integrado los dispositivos BatDimmer para su control individual. Además, se han instalado 10 dispositivos BatSense para la monitorización de las variables ambientales del invernadero (temperatura, humedad y luminosidad). De esta forma, además de ahorrar consumo gracias a la regulación de las luminarias LED en función de la iluminación exterior, se pueden realizar experimentos para estudiar el efecto de la iluminación en el crecimiento de las plantas para diferentes especies y condiciones ambientales.
Referencias
[1] Luis Pérez-Lombard, José Ortiz, Christine Pout. “A Review on buildings energy consumption information”, Energy and Building, Elsevier, March 2007.
[2] Joern Ploennigs, Uwe Ryssel and Klaus Kabitzsch, “Performance Analysis of the EnOcean Wireless Sensor Network Protocol”, Proc. 20120 IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), pp 1-9, doi: 10.1109/ETFA.2010.5641313,2010.
[3] Lu Chia-Wen, Li Shu-Cheng and Q. Wu, “Interconnecting ZigBee and 6LoWPAN wireless sensor networks for smart grid applications,” Proc. 2011 Fifth International Conference on Sensing Technology (ICST), 2011, pp. 267-272, doi:10.1109/ICSensT.2011.6136979.
[4] Constrained Application Protocol (CoAP) draft https://datatracker.ietf.org/doc/draft-ietf-core-coap/.
[5] Contiki, http://www.contiki-os.org/.
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