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Sistema de monitoreo remoto del consumo energ�tico para hogares en la ciudad de Cuenca, basado en principios de IoT y servicios en la nube ������

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Remote monitoring system of energy consumption for homes in the city of Cuenca, based on IoT principles and cloud services

 

Sistema de monitoramento remoto do consumo de energia para resid�ncias na cidade de Cuenca, baseado nos princ�pios da IoT e servi�os em nuvem

 

Pablo Felipe Jimenez-Guam�n ^I

� ��jpgf_02@hotmail.com

https://orcid.org/0000-0001-5657-9267

 

Javier Bernardo Cabrera-Mej�a ^II

jcabreram@ucacue.edu.ec

https://orcid.org/0000-0003-2027-0211

 

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Correspondencia:��� jpgf_02@hotmail.com

 

 

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culo de investigaci�n

 

 

*Recibido: 13 de septiembre de 2020 *Aceptado: 09 de octubre de 2020 * Publicado: 06 de noviembre de 2020

 

       I.            Ingeniero Electr�nico, Jefatura de Posgrados, Universidad Cat�lica de Cuenca, Cuenca, Ecuador.

    II.            PhD(c) en Tecnolog�as de la Informaci�n y Comunicaci�n, Universidad Cat�lica de Cuenca, Jefatura de Posgrado, Centro de Investigaci�n, Innovaci�n y Transferencias de Tecnolog�a (CIITT), Cuenca, Ecuador.

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Resumen

El presente trabajo plantea la implementaci�n de un sistema de monitoreo del consumo energ�tico para hogares en la ciudad de Cuenca, dise�ada para promover la optimizaci�n energ�tica en la ciudad mencionada y p�blico en general, mediante el uso de la tecnolog�a IoT y servicios en la nube. El objetivo principal de la investigaci�n es concientizar a las personas a los posibles problemas que pueden ocasionar el consumo energ�tico de manera incorrecta y apoyar al medioambiente mediante una simulaci�n en donde se pueda observar los beneficios de poder controlar y monitorear el consumo energ�tico. Para lograr los resultados se escogi� el protocolo MQTT basado en el principio de comunicaci�n de maquina a m�quina, acompa�ado del protocolo de websockect y los servicios en la nube ofrecidos por Amazon Web Service (AWS), Las pruebas de esta propuesta se realizaron utilizando las herramientas antes mencionadas con �l envi� de informaci�n: voltaje, corriente, potencia, temperatura y humedad y el control de manera remota de encendido-apagado de un electrodom�stico, o sistema de riego, o control de temperatura.

Palabras claves: MQTT; IoT; websockect; Medidor Inteligente; Servicios en la nube.

 

Abstract

This work proposes the implementation of an energy consumption monitoring system for homes in the city of Cuenca, designed to promote energy optimization in the aforementioned city and the general public, through the use of IoT technology and cloud services. The main objective of the research is to make people aware of the possible problems that can cause energy consumption in an incorrect way and to support the environment through a simulation where the benefits of being able to control and monitor energy consumption can be observed. To achieve the results, the MQTT protocol was chosen based on the principle of machine-to-machine communication, accompanied by the websockect protocol and the cloud services offered by Amazon Web Service (AWS). The tests of this proposal were carried out using the tools with him sent information: voltage, current, power, temperature and humidity and the remote control of the on-off of an appliance, or irrigation system, or temperature control.

Keywords: MQTT; IoT; websockect; Smart Meter; Cloud services.

 

 

 

Resumo

Este trabalho prop�e a implementa��o de um sistema de monitoramento do consumo de energia para resid�ncias da cidade de Cuenca, com o objetivo de promover a otimiza��o energ�tica da referida cidade e do p�blico em geral, por meio do uso de tecnologia IoT e servi�os em nuvem. O principal objetivo da pesquisa � conscientizar as pessoas sobre os poss�veis problemas que podem ocasionar o consumo de energia de forma incorreta e apoiar o meio ambiente por meio de uma simula��o onde possam ser observados os benef�cios de poder controlar e monitorar o consumo de energia. Para a obten��o dos resultados, o protocolo MQTT foi escolhido com base no princ�pio da comunica��o m�quina a m�quina, acompanhado do protocolo websockect e dos servi�os em nuvem oferecidos pela Amazon Web Service (AWS) .Os testes desta proposta foram realizados com as ferramentas com ele enviava informa��es: tens�o, corrente, energia, temperatura e umidade e o controle remoto liga-desliga de um aparelho, ou sistema de irriga��o, ou controle de temperatura.

Palavras-chave: MQTT; IoT; websockect; Medidor inteligente; Servi�os na nuvem.

 

Introducci�n

Es oportuno entender el significado de IoT (Internet of Things), el mismo hace referencia al poder establecer una conexi�n entre distintos sensores o actuadores mediante la nube, en otras palabras, esta tecnolog�a nos permite administrar y monitorear, dispositivos electr�nicos a trav�s de las redes de telecomunicaciones.

Como se puede observar la sociedad ha evolucionado junto con la tecnolog�a y el termino internet de las cosas nos proporciona una idea de conectividad en todo momento, es decir una sociedad en donde todo est� conectado. Con la evoluci�n del internet se� gener� un cambio dr�stico en la vida de las personas, desde el medio de comunicaci�n, hasta la metodolog�a de la educaci�n, la investigaci�n o las empresas [1].

El consumo de energ�a en el Ecuador se encuentra dividido o sectorizado en: residencial, comercial, industrial, alumbrado p�blico, y otros como se puede observar en la� Figura 1. En donde se observar que la categor�a residencial representa un alto consumo energ�tico con un 35%, la categor�a industrial un 31%, la categor�a comercial un 20%, el servicio de alumbrado p�blico general un 5%, y finalmente se agrupa al consumo de los subsectores (asistencia social, bombeo de agua, entre otros), el mismo que obedece al 9% del consumo el�ctrico nacional [2].

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Figura 1: Energ�a por categor�a de consumo.

 

Fuente: [2]

 

Es por esto la importancia de implementaci�n de tecnolog�as que nos permitan focalizar acciones a realizarse en este sector, y para lograr este objetivo se debe saber o tener a informaci�n pertinente del uso del consumo energ�tico.

Tambi�n se puede observar, con m�s detalles el consumo de energ�a residencial tanto a nivel sierra, y sus respectivos consumos en sus usos como: refrigeraci�n con un 52%, iluminaci�n con un 20%, cocci�n de alimentos con un 5%, calentamiento de agua 8%, y otros consumos con 15% como se observa en la Figura 2.

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Figura 2: Uso de la energ�a el�ctrica regi�n Sierra.

 

Fuente: [2]

 

Mientras que en la regi�n costa se observan los siguientes consumos: refrigeraci�n con un 50%, iluminaci�n con un 17%, cocci�n de alimentos con un 10%, aire acondicionado con un 8%, y otros consumos con 9% representada en la siguiente Figura 3.

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Figura 3: Usos de la energ�a el�ctrica regi�n Costa.

 

Fuente: [2]

 

En la ciudad de Cuenca aproximadamente en el �mbito urbano y rural el 97.5% de viviendas cuentan con el servicio el�ctrico seg�n datos de Instituto Nacional de estad�sticas y censos(INEC), cada vez son m�s los proyectos que se implementan para brindar mayor comodidad en el monitoreo y toma de datos del consumo residencial. Actualmente en el sector residencial de Cuenca no cuenta con sistemas o estudios que ayuden a realizar propuestas medioambientales u optimizaci�n energ�tica, el mismo ayudara a crear conciencia o proponer soluciones basadas en IoT (Internet of Things), para el consumo de energ�a el�ctrica. Adem�s, las personas no toman en cuenta el ahorro energ�tico por eso es de suma importancia analizar este consumo y concientizar el uso excesivo de los equipos que se encuentren dentro del hogar [3].

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Figura 4: Usos de la energ�a el�ctrica regi�n Sierra.

 

Fuente: [2]

 

El presente trabajo se compone de cinco secciones. En la primera secci�n se expone un panorama general del problema. En la segunda secci�n se analiza el estado del arte.� En la tercera secci�n se explica la metodolog�a y el detalle de cada tarea ejecutada. Los resultados del desarrollo de la investigaci�n se exponen en la cuarta secci�n y finalmente las recomendaciones y conclusiones.

 

Desarrollo

Trabajos Relacionados

Tambi�n se puede observar que IoT tiene un gran mercado y su aplicaci�n se da en varios campos como, por ejemplo:

1.      Examen inteligente basado en IoT: En este trabajo, proponemos un sistema de examen inteligente que obtiene dichas estad�sticas y env�a datos a una aplicaci�n web para su posterior procesamiento mediante el uso de una tecnolog�a basada en Internet de las cosas. La informaci�n obtenida por el sistema propuesto puede incluso utilizarse para diagnosticar a los estudiantes con dificultades de aprendizaje o discapacidades, por ejemplo, dislexia [4].

2.      Sistemas de monitoreo de veh�culos: Hoy en d�a, el sistema de monitoreo de veh�culos se desarrolla para obtener las estad�sticas del movimiento del veh�culo y rastrear su ubicaci�n actual mediante el uso de IoT, en donde se puede obtener ciertos par�metros importantes para el control del auto motor[5].

3.      IoT y la nube: El �xito del mundo de IoT requiere la prestaci�n de servicios atribuida a la ubicuidad, confiabilidad, alto rendimiento, eficiencia y escalabilidad, tambi�n ha dado la oportunidad a poder debatir sobre seguridad, ya que transfiere datos a un sistema de nube abierta, se debe tener cuidado y precauci�n antes de implementar el mismo [6].

4.      En este documento los autores [7] brindan una soluci�n pensada en el medioambiente con la implementaci�n de sistemas h�bridos en la generaci�n de energ�a el�ctrica aprovechando los recursos de la energ�a solar, este sistema es autosuficiente y de c�digo abierto. La informaci�n y registro de datos se almacenan en un sistema de base de datos distribuidas en la nube en tiempo real. Cada hogar que est� conectada al sistema de micro red act�a como un nodo, los datos se sincronizan cada 3 segundos utilizando un protocolo ligero como MQTT, cada nodo o hogar publica su informaci�n de forma actualizada, esta informaci�n contiene la potencia generada y consumida, y es enviada al servidor MQTT.

5.      El objetivo de los autores [8] fue dise�ar e implementar un prototipo basado en la tecnolog�a del internet de las cosas, que adquiera la informaci�n del consumo el�ctrico y genere un reporte de monitorizaci�n de la energ�a consumida por un dispositivo electr�nico, con el fin de predecir anomal�as en el consumo, aplicando redes neuronales.

IoT como se puede observar se encuentra en varios campos como los mencionados con avances subst�nciales, incluidas aplicaciones en redes inteligentes, ciudades inteligentes, trasporte, detecci�n de multitudes, salud, dom�tica, motorizaci�n de energ�a el�ctrica, etc.

 

�Metodolog�a

An�lisis Arquitectura del sistema

Para la selecci�n de la arquitectura del sistema se bas� en clasificaci�n definida por los autores, Gubbi. Los cuales resaltan 3 fundamentos b�sicos para una arquitectura IoT[9].

En base a la arquitectura ya mencionada, se expone un modelo para el dise�o del prototipo de medici�n de consumo de energ�a y censado de temperatura y humedad, la misma se posee 3 sensores, uno de corriente, voltaje, temperatura y humedad, estos datos son receptados en el microcontrolador (arduino), que procesa la informaci�n y env�a a la nube mediante el protocolo MQTT y pone a disposici�n remotamente a trav�s de internet en el servidor en la nube mediante HiveMQ.

�         Nivel de Hardware

Est� compuesto por microcontrolador, el cual nos permite adquirir se�ales anal�gicas o digitales, es el encargado del procesamiento de dicha informaci�n, tambi�n cuenta con un m�dulo ESP8266, el cual tienen integrado un protocolo TCP/IP y un sistema inal�mbrico WI-FI para trasmitir la informaci�n hacia la nube.

�         Nivel de Middleware

La capa de middleware cuenta con los siguientes componentes:

�         Un portal web el cual nos permite visualizar la informaci�n de forma remota.

�         Un protocolo de comunicaci�n ligero (MQTT) para la trasmisi�n dela informaci�n.

�         Nivel de presentaci�n.

Se utiliza HiveMQ, esta plataforma es compatibles con los servicios en la nube que permite que nuestro agente MQTT se implemente en nubes privadas, h�bridas y p�blicas como AWS y Microsoft Azure.

La estructura del sistema� IoT se resume en la siguiente Figura 5.

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Figura 5: Comunicaci�n as�ncrona en MQTT(publish-Subscribe)

Fuente: Autor�a propia

 

Dise�o y desarrollo del sistema

La soluci�n propuesta, se realiz� mediante la arquitectura cliente servidor. Para la implementaci�n del servidor virtual se opt� por el uso de AWS. No obstante, es importante mencionar que sistema se puede sustituir por cualquier servicio en la nube, tambi�n se podr� instalar de manera f�sica en un servidor Linux. La instancia a usar en AWS, es gratuita y b�sica (t2.micro) en Ubuntu,� en la cual se carga y configura el protocolo MQTT y el� servidor� web� (Apache2). Para la conexi�n remota se implement� una IP est�tica mediante el recurso ElasticIp el cual apunta a una m�quina virtual. Usando la consola de administraci�n de AWS abrimos los puertos 80-443 para permitir el tr�fico web, para usar los servicios de websockets es necesario abrir el 9001 y el puerto 22 para realizar conexiones SSH al servidor en caso de ser necesario.

Modelo propuesto

La arquitectura descrita para el prototipo de medici�n de consumo energ�a el�ctrica residencial, se puede observar en la Figura 6 en donde se describe en detalle la comunicaci�n entre los componentes del sistema.

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Figura 6: Arquitectura del Prototipo

Fuente: Autor�a propia

 

En base a la arquitectura ya mencionada, se expone un modelo para el dise�o del prototipo de medici�n de consumo de energ�a. El mismo posee 3 sensores, uno de corriente, voltaje y otro de temperatura y humedad, estos datos se reciben en el microcontrolador(arduino), que procesa la informaci�n y env�a a la nube mediante el protocolo MQTT y pone a disposici�n remotamente a trav�s de internet en el servidor de HiveMQ.

Funcionamiento y comunicaci�n

La Figura 7 describe el diagrama de funcionamiento del sistema, en donde se adquieren los datos mediante los sensores de corriente, voltaje y temperatura y humedad y se procesan en un microcontrolador Arduino Mega, y mediante el m�dulo Wi-fi se env�a a la nube con la ayuda del protocolo MQTT y se podr� visualizar en un dispositivo m�vil o pc.

 

Figura 7: Dise�o del prototipo

Fuente: Autor�a propia

 

Adquisici�n de datos

Para poder obtener las variables necesarias para el funcionamiento del prototipo se dividi� o segmento en cinco etapas:

En la primera etapa se utiliz� un sensor de corriente acompa�ado de los siguientes componentes:

�                     Sensor SCT-013-030

�                     ADS1115

El componente ADS-1115 permite obtener la mayor cantidad de muestras para su correcto funcionamiento y ser enviado al microcontrolador.�

En su segunda etapa se realiz� el acoplamiento del sensor de voltaje para obtener la medici�n del valor de tensi�n de la red el�ctrica domiciliaria, para lograr este objetivo se utiliz� el m�dulo zmpt101b.

En su tercera etapa se realiz� el acoplamiento del sensor de temperatura y humedad, para lograr esto se utiliz� el sensor Dth11. En la Figura: 12 se podr� observar las conexiones entre el sensor y el microcontrolador.

En su cuarta etapa se realiz� el control autom�tico on-off, mediante el cual nos permite tener el control total de encendido y apagado de manera remota.

En su quinta etapa, nos dedicamos al envi� de los datos procesados por el microcontrolador al m�dulo de comunicaci�n wifi esp8266, el cual est� conectado al Arduino, y es el encargado de trasmitir la informaci�n al servidor que se encuentra alojado en AWS.

A continuaci�n, en la siguiente Figura 8 se puede observar el diagrama de conexi�n de los m�dulos utilizados, para lograr el objetivo correspondiente.

 

Figura 8: Esquema de conexi�n del� M�dulo ESP8266

Fuente: Autor�a Propia

 

Procesamiento de se�ales

Para el tratamiento de las se�ales adquiridas se utilizaron las librer�as emonlib y Adafruit_ADS1015, la primera librer�a necesita un valor de calibraci�n y estos deben ser sensados de forma manual, la segunda librer�a permite la recolecci�n de la mayor cantidad de datos para un mejor procesamiento al medir la corriente.

En la siguiente Figura 9 se observa un diagrama de flujo del procesamiento y todo de datos.

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Figura 9: Diagrama de flujo del procesamiento y toma de datos.

Fuente: Autor�a Propia

 

Resultados

Para certificar que los datos obtenidos por el sistema propuesto sean fiables, se procedi� a realizar una comparaci�n con Mult�metro digital Pro'sKit 3PK-8205C, para su demostraci�n de precisi�n se propuso dos escenarios, en donde se observa los valores de tensi�n y corriente para una carga con un foco incandescente, un reflector led IP66 (30W).

La Tabla 1 y Tabla 2, permite observar el porcentaje de error obtenido de manera experimentalmente y mediante el prototipo, en la carga del foco incandescente.

 

Tabla 1: Pruebas con el uso de un foco incandescente (voltaje)

 

Tabla 2: Pruebas con el uso de un foco incandescente (corriente)

 

Adicional a eso tambi�n se puede observar de manera remota las variables de voltaje y corriente obtenidas por el prototipo como se observa en la Figura 13.

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Figura 10: Visualizaci�n remota de los valores te voltaje y corriente.

Fuente: Autor�a propia

 

La Tabla 3 y Tabla 4, permite observar� el porcentaje de error obtenido de manera experimentalmente y mediante el prototipo, en la carga del reflector led.

 

Tabla 3: Pruebas con el uso de un reflector led IP66 (30W) (voltaje)

 

Tabla 4: Pruebas con el uso de un reflector led IP66 (30W) (corriente)

 

Adicional a eso tambi�n se puede observar de manera remota las variables de voltaje y corriente obtenidas por el prototipo como se observa en la Figura 14.

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Figura 11: Visualizaci�n remota de los valores te voltaje y corriente del reflector.

Fuente: Autor�a propia

 

�La Tabla 5 y Tabla 6, permite observar� el porcentaje de error obtenido de manera experimentalmente y mediante el prototipo, en la carga de una plancha de la marca Oster.

 

Tabla 5: Pruebas con el uso de una plancha Oster (voltaje)

 

Tabla 6: Pruebas con el uso de una plancha Oster (corriente)

 

Adicional a eso tambi�n se puede observar de manera remota las variables de voltaje rms y corriente rms obtenidas por el prototipo como se observa en la Figura: 15.

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Figura 12: Visualizaci�n remota de los valores te voltaje y corriente de la plancha Oster.

Fuente: Autor�a propia

 

Conclusiones

El prototipo basado en IOT y servicios en la nube, permite tener el control del encendido/apagada desde una ubicaci�n remota y el monitoreo de la red el�ctrica de manera instant�nea. El dise�o del sistema funciona de manera eficiente dentro del hogar, a su vez se pueden observar los resultados o valores de tensi�n o voltaje rms, corriente rms, y su potencia instant�nea en la p�gina Web.

La aplicaci�n web ofrece una plataforma amigable y de f�cil acceso para el usuario, tambi�n permite controlar, electrodom�stico, bombas de agua, calefacci�n que requiere el encendido/apagado de forma remota.

Como se observa en las pruebas realizadas, el prototipo funciona de manera estable �l envi� de la informaci�n mediante el protocolo de comunicaci�n MQTT se realiza con existo, y su visualizaci�n mediante la p�gina web es instant�nea gracias al uso de websockets.�

El sistema basado en IoT y servicios en la nube es una soluci�n atractiva y su combinaci�n con los diferentes sensores se dio soluci�n al objetivo planteado como es la comunicaci�n entre el sistema de medici�n y el servidor alojado en la nube AWS.

 

Referencias

1.      R. Khan, S. U. Khan, R. Zaheer, y S. Khan, �Future internet: The internet of things architecture, possible applications and key challenges�, en Proceedings - 10th International Conference on Frontiers of Information Technology, FIT 2012, dic. 2012, pp. 257-260, doi: 10.1109/FIT.2012.53.

2.      Consejo Nacional de Electricidad, �Aspectos de Sustentabilidad y Sostenibilidad Social y Ambiental�, Plan Maest. Electrif. 2013-2022, vol. 4, p. 380, 2013, doi: 10.1017/CBO9781107415324.004.

3.      I. Instituto Nacional de Estad�stica y Censo, �FASC�CULO PROVINCIAL AZUAY�. Resultados del censo 2010 de poblacion y vivienda en el Ecuador, pp. 1-8, 2010, [En l�nea]. Disponible en: https://www.ecuadorencifras.gob.ec/wp-content/descargas/Manu-lateral/Resultados-provinciales/azuay.pdf.

4.      A. Xheladini, S. Deniz Saygili, y F. Dikbiyik, �An IoT-based smart exam application�, en 17th IEEE International Conference on Smart Technologies, EUROCON 2017 - Conference Proceedings, ago. 2017, pp. 513-518, doi: 10.1109/EUROCON.2017.8011164.

5.      S. Wang, Y. Hou, F. Gao, y X. Ji, �A novel IoT access architecture for vehicle monitoring system�, en 2016 IEEE 3rd World Forum on Internet of Things, WF-IoT 2016, feb. 2017, pp. 639-642, doi: 10.1109/WF-IoT.2016.7845396.

6.      A. R. Biswas y R. Giaffreda, �IoT and cloud convergence: Opportunities and challenges�, en 2014 IEEE World Forum on Internet of Things, WF-IoT 2014, mar. 2014, pp. 375-376, doi: 10.1109/WF-IoT.2014.6803194.

7.      D. K. Aagri y A. Bisht, �Export and Import of Renewable energy by Hybrid MicroGrid via IoT�, Proc. - 2018 3rd Int. Conf. Internet Things Smart Innov. Usages, IoT-SIU 2018, pp. 1-4, 2018, doi: 10.1109/IoT-SIU.2018.8519873.

8.      J. C. Ortega Castro, L. I. Minchala, y R. P. Rodas, �Artificial neuronal network for monitoring of energy consumption by a home device�, en 2019 IEEE PES Conference on Innovative Smart Grid Technologies, ISGT Latin America 2019, sep. 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/ISGT-LA.2019.8895440.

9.      J. Gubbi, R. Buyya, S. Marusic, y M. Palaniswami, �Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions�, Futur. Gener. Comput. Syst., vol. 29, n.o 7, pp. 1645-1660, 2013, doi: 10.1016/j.future.2013.01.010.

 

 

 

 

 

 

 

 

�2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).