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BI Diseño e Implementación de un Prototipo de Sistema de Telemonitoreo del Consumo de Energía Eléctrica en Hogares a Través de Herramientas Computacionales Design and Implementation of a System Prototype Telemonitoring of Electric Energy Consumption in Households Using Computational Tools Quevedo P, Yeimy1, Penagos M, Daniel2 Ingeniera de Sistemas, Universidad de los Llanos - Colombia [email protected] 2 Ingeniero Electrónico, Universidad de los Llanos - Colombia [email protected]

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RESUMEN: Este trabajo consiste en el diseño e implementación de un prototipo de un sistema de monitoreo para la medición del consumo energético en hogares, al cual se denominó “TELENERGY, energía a su medida”. Se busca posibilitar tanto al usuario residencial como a NC GORTGUC GNGEVTKſECFQTC GN EQPQEKOKGPVQ FGVCNNCFQ FGN JKUVQTKCN FG consumo de energía eléctrica de la vivienda en tiempo casi real y de manera remota. La lectura del consumo de energía se toma de los contadores electrónicos con un microcontrolador PIC, los datos se envían desde estos terminales a través de una red punto-multipunto con tecnología ZigBee y luego a la Internet a través de un módulo GPRS y la red celular. El servidor recibe datos a través de una aplicación de escritorio, los recepciona, procesa y CNOCEGPCGPNCDCUGFGFCVQURTGXKCOGPVGEQPſIWTCFC'NRWGTVQ6%2UG mantiene siempre a la escucha de los datos entrantes. La aplicación web permite el acceso a 4 tipos de usuarios: administrador, empleados autorizados de la empresa proveedora del servicio de energía eléctrica y los usuarios residenciales. Cada uno puede tener acceso a

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BI cierta información en función de los privilegios que tienen. Los datos de EQPUWOQFGGPGTIÈCUGXGPGPNCUVCDNCU[IT¶ſEQUFGOQFQSWGGNWUWCTKQ TGUKFGPEKCNRWGFCETGCTGUVTCVGIKCUFGCWVQTTGIWNCEKÎPRCTCUWDGPGſEKQ PALABRAS CLAVE: Autorregulación, Base de datos, GPRS, Modem, Red celular, Servidor, Telemetría. ABSTRACT: This work consists of designing and implementing a prototype of a monitoring system for measuring the energy consumption in homes, which was called “TELENERGY, energy-to-measure.” In order to enable both residential and business user detailed knowledge of historical electric energy consumption of housing in near real time and remotely. Reading of energy consumption is taken from the electronic meters using a PIC microcontroller, the data are sent from these terminal devices via a point-multipoint network with ZigBee technology and then to the Internet through a GPRS module and the cellular network. The server receives data via a desktop application, processes it and stores it in the FCVCDCUGRTGXKQWUN[EQPſIWTGF6JG6%2RQTVMGGRUCNYC[UNKUVGPKPIHQT the incoming data. Web application allows access to 3 types of users: administrator, employee and residential. Each can access certain information depending on the privileges they have. In the web application the energy consumption data are in tables and graphs, so the home user is able to create selfTGIWNCVKQPUVTCVGIKGUHQTVJGKTDGPGſV KEYWORDS: Cellular Network, Database, GPRS, Modem, Selfregulation, Server, Telemetry. I. INTRODUCCIÓN

Hoy en día la tendencia y la dependencia a los dispositivos electrónicos es un factor que incide directamente en la demanda energética por tal razón es indispensable generar estrategias que disminuyan ese consumo y/o buscar alternativas que lo faciliten. La herramienta más importante en este caso es la información al consumidor. En los hogares de Colombia los usuarios mantienen una posición pasiva en cuanto a la manera en que

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BI se realiza la medición del consumo energético, para ellos es un acto de fe el EQPſCTGPSWGGNEQPVCFQTFGNCGORTGUCRTQXGGFQTCFGGPGTIÈCHWPEKQPG correctamente y que el consumo registrado sea efectivamente el utilizado; si bien se puede decir que en la mayoría de los casos los contadores de luz funcionan aparentemente bien, algunas veces se presentan inconsistencias y reclamos hacia la empresa por sobrecostos de facturación. Una de las tendencias que ha cobrado renombre a nivel mundial en EWCPVQCNWUQGſEKGPVGFGNCGPGTIÈCGNÃEVTKEC[SWGGUV¶GPRNGPQRTQEGUQ de desarrollo es “Smart Grid”[1]. Aunque en su generalidad es un tema muy incluyente, en principio, Smart Grid es una simple actualización de las redes eléctricas del siglo XX en las cuales la energía se transmite por lo general desde unas pocas centrales energéticas a un gran número de usuarios, en lugar de ser capaz de enrutar la energía en mejores formas para responder a un muy amplio rango de condiciones. El caso más destacado lo presentó la empresa Google en el 2010 con su herramienta powermeter[2] (la cual se enmarca dentro de las tendencias Smart Grid), una plataforma que le permitiría a cualquier persona ver el consumo total de su vivienda desde cualquier lugar del mundo vía internet, sin embargo el desarrollo aún está en fase de prueba exclusivamente para Canadá y Estados Unidos y requeriría de la instalación de un contador de energía especial. Según estudios realizados por la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios entre el 2006 y 2008[3], el nivel de satisfacción del usuario (NSU) promedio a nivel nacional con respecto al servicio de energía, pasó de un 68,68% en el 2006 a un 67,63% en el 2008. En el meta el comportamiento del mismo paso de 66,54% en el 2006, 62,70% en el 2007 a un 65,04% en el 2008, lo que muestra una diferencia de 2 puntos RQTFGDCLQFGNRTQOGFKQPCEKQPCNTGƀGLCPFQWPCKPUCVKUHCEEKÎPFGEGTEC del 35% de los usuarios domiciliarios, en resumen se podría pensar que uno de cada tres usuarios no está conforme con el servicio que le provee la empresa y/o ha presentado algún tipo de anomalía, corte o sobrecosto de facturación. #FGO¶U FG GUVC FGſEKGPEKC GP NC RCTVKEKRCEKÎP FGN WUWCTKQ GP UW facturación, la mayoría de empresas proveedoras de energía eléctrica al igual que EMSA, únicamente cuentan con sistemas de telemedida para grandes clientes y empresas. No cuentan con una herramienta

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BI computacional con la que puedan monitorear constantemente los datos de consumo energético a nivel residencial y/o zonas alejadas y con esto KFGPVKſECTRQUKDNGUTQDQU[RÃTFKFCUFGGPGTIÈC Debido también a la crisis energética global es menester contribuir de alguna forma a la preservación de esta. La propuesta está enfocada en dar solución al problema planteado mediante la realización de un sistema de telemonitoreo que posibilite al usuario residencial y a la empresa proveedora del servicio de energía eléctrica (en nuestro caso EMSA S.A E.S.P), el conocimiento detallado del consumo de energía eléctrica en los hogares de manera remota en un aplicativo web, permitiéndole analizar los datos mediante estadísticas para crear estrategias de regulación y ahorro energético. El esquema de funcionamiento del sistema se muestra en la Figura 1. II. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO

Para el diseño del sistema se investigó previamente las tecnologías utilizadas por la empresa para los sistemas de telemetría, los tipos de contadores utilizados y los diferentes proyectos al respecto. Lo anterior con GNſPFGEQPVGZVWCNK\CTGNFGUCTTQNNQFGNRTQ[GEVQ[GNGIKTNCUJGTTCOKGPVCU más adecuadas para su implementación con los sistemas actuales. De dicha investigación se adoptó el uso de tecnología GPRS como eje de la comunicación remota con el servidor del proyecto.

Figura 1 Esquema del funcionamiento del prototipo Telenergy.

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BI Se realizaron además dos (2) encuestas y una (1) entrevista como métodos de recolección de información. El objetivo general de estas herramientas fue conocer tanto de los usuarios residenciales como de NQUKPIGPKGTQUCſPGUCN¶TGCFGVGNGOGVTÈCUWRWPVQFGXKUVCCEGTECFGNC problemática planteada. De estas actividades se pudo concluir, entre otros aspectos, que GZKUVG WP PKXGN EQPUKFGTCDNG FG FGUEQPſCP\C G KPEQPHQTOKFCF JCEKC NC facturación del servicio de energía eléctrica en los hogares. Además el nivel de aceptación de la posibilidad de utilizar un sistema de telemetría para conocer a diario el consumo de su vivienda fue del 80%. Después de contextualizar la problemática, se procedió a diseñar y desarrollar el sistema del proyecto, denominado Telenergy. Telenergy se compone de dos grandes subsistemas, un subsistema electrónico (Hardware) y un subsistema de aplicación (Software). Del acople de estos dos depende el correcto funcionamiento, la integridad de los datos enviados, la veracidad de la información y el propósito del proyecto. El prototipo de software se diseñó mediante la metodología eXtreme Programming (XP), con la cual se siguieron las 4 fases básicas: o o o o

Análisis Diseño %QFKſECEKÎP Pruebas

Se desarrolló también el dispositivo electrónico mediante una serie de pasos metodológicos que siguieron las siguientes fases: o o o o o

Análisis Diseño Simulación Implementación Pruebas y corrección de errores

A su vez, los dos grandes subsistemas de software y hardware se subdividen en 4 módulos en total como se aprecia en la Figura 2.

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Figura 2. Esquema del funcionamiento del prototipo Telenergy. Los módulos del Subsistema Hardware y las actividades que se desarrollaron fueron: ™Módulo lectura de Pulsos. -Diseño del circuito y ensamble de componentes eléctricos utilizados por los dispositivos electrónicos desarrollados, tanto del Nodo como del Coordinador. -Programación del microcontrolador de la serie PIC para el envío y recepción de la lectura de consumo tomada del medidor de energía residencial. Este módulo además cumple la función de almacenar la lectura del contador en la memoria interna EEPROM de 256 bytes. Con lo cual se evita que se pierdan los datos en caso de una desconexión de la energía.

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BI La lectura del contador es enviada al servidor cada hora y cuenta además de un sistema de alarma que envía un mensaje al servidor en caso de que el sistema se manipule. ™Módulo Comunicación inalámbrica -Comunicación inalámbrica a través de módulos Xbee-Pro, con tecnología ZigBee y topología de red punto-multipunto. -Comunicación inalámbrica hacia el servidor a través del envío y recepción de datos utilizando la red celular utilizando un módem con tecnología GPRS. Este módulo se encarga de enrutar toda la comunicación inalámbrica y los datos de consumo de los dispositivos terminales. En este módulo existe un módulo Xbee coordinador que recoge todos los datos enviados inalámbricamente de los módulos Xbee terminales bajo el protocolo ZigBee[4]. Adjunto a este módulo está conectado un módem GPRS

'PHQTCGPGNEWCNUGEQPſIWTCNC+2FGNUGTXKFQT[GNRWGTVQCNEWCN llegan los datos para su correcto procesamiento. Los módulos del Subsistema Software y las actividades desarrollaron fueron:

que se

™/ÎFWNQ4GEGREKÎP[%QPſIWTCEKÎPCRNKECEKÎPGUETKVQTKQ. -Diseño, elaboración y montaje de la base de datos del proyecto en el Servidor. -Diseño y programación de la aplicación escritorio encargada de: ƒ %QPſIWTCEKÎPFGNECPCNFGEQOWPKECEKÎPCVTCXÃUFG5QEMGVUEQP comunicación TCP. ƒ %QPſIWTCEKÎPFGEQPGZKÎPEQPNCDCUGFGFCVQUFGUFGNCCRNKECEKÎP ƒ Visualización de los datos en tiempo real del consumo de energía eléctrica residencial, que están siendo enviados por el modem GPRS al servidor. ƒ #UKIPCEKÎP FG RGTſNGU FG CFOKPKUVTCFQT [ FG GORNGCFQ C NQU empleados de la empresa proveedora de energía eléctrica que haga uso del servicio de Telenergy. La funcionalidad principal de este módulo es la de posibilitar al usuario administrador del sistema una interfaz para comunicarse con el servidor

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BI 6%2RCTCEQPſIWTCTNQURCT¶OGVTQUFGEQPGZKÎPEQPNCDCUGFGFCVQU[ establecer el puerto de comunicación a utilizar para la recepción de los datos enviados a través del modem GPRS por múltiples clientes, además FGRGTOKVKTNCCFOKPKUVTCEKÎPFGRGTſNGUFGWUWCTKQU La Arquitectura de programación utilizada sigue el patrón de diseño Singleton[5], para garantizar la creación de una única instancia para acceder a la clase encargada de la conexión con la base de datos. Maneja también un modelo de tres capas, (Capa de acceso a datos, Capa de presentación [%CRCFGNÎIKECFGPGIQEKQNCUEWCNGUVKGPGPWPTQNGURGEÈſEQFGPVTQFGN ciclo del programa. ™Módulo consulta, visualización y reportes, aplicación Web. -Visualización de información del servicio y de documentación relevante del área de ahorro energético. -Acceso al servicio de medición remota de energía eléctrica residencial. -Generación de reportes de consumo. %QPUWNVCFGJKUVÎTKEQUFGEQPUWOQCVTCXÃUFGITCſECUGUVCFÈUVKECU -Análisis estadístico del consumo de energía eléctrico. -Vinculación y desvinculación de usuarios residenciales al proyecto Telenergy. #FOKPKUVTCEKÎPTGOQVCFGNUKUVGOCRCTCCUKIPCTRGTſNGUFGWUWCTKQU Este módulo es accedido por cuatro diferentes tipos de usuarios

WPKſECFQ CFOKPKUVTCFQT GORNGCFQ FG NC GORTGUC GNGEVTKſECFQTC [ usuario residencial), de los cuales tres de estos requieren autenticación para ingresar al sistema de telemonitoreo a través de la interfaz Web. Entre las funcionalidades se destacan la visualización de históricos de EQPUWOQCVTCXÃUFGVCDNCU[QIT¶ſECURGTOKVKGPFQEQORCTCTRGTKQFQU de consumo seleccionados. En el desarrollo de la aplicación se hizo uso de frameworks para brindar una mejor estructuración y escalabilidad al sistema, se optó por la opción de manejar Java Server Faces en cuanto desarrollo robusto y orientado a brindar un diseño de interfaces y de navegación agradables al usuario. La aplicación fue desarrollada de acuerdo a la arquitectura clienteServidor y empleando un patrón de diseño conocido como MVC (Modelo, Vista, controlador)[6].

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BI -Modelo: Involucra la utilización del Framework Java persitence API (JPA), a través de la conexión con la base de datos utilizada en el sistema, creando entidades de persistencia que representan las tablas y relaciones de datos. -Vista: Esta capa se utilizó otro framework propio de JSF, llamado Facelets, centrado en la construcción del árbol de componentes de interfaces de usuarios, a través de archivos .Xhtml y plantillas reusables. -Controlador: Interviene el uso del API Enterprise Java Beans (EJB), además de activar el contenedor de Servlets Facelets propio de JSF, que proporciona funcionalidad al controlador, están las entidades de JPA en relación con las tablas de la base de datos. III. RESULTADOS

2CTC XGTKſECT NC HWPEKQPCNKFCF FGN UKUVGOC FKUGÌCFQ UG TGCNK\CTQP OÕNVKRNGU RTWGDCU FG ECORQ [ FG NCDQTCVQTKQ EQP GN ſP FG FGVGTOKPCT las limitaciones y el alcance de las herramientas utilizadas. Se observó el comportamiento del sistema en diferentes escenarios con diferentes condiciones de desconexión y distancia de transmisión. Finalmente se NQITÎ EQPſIWTCT GN ECPCN FG EQOWPKECEKÎP WVKNK\CPFQ WP RTQVQEQNQ FG transmisión acordado por ambas partes para enviar datos al servidorTCP de manera exitosa. 'N TGUWNVCFQ ſPCN FG NC KORNGOGPVCEKÎP FGN OÎFWNQ GNGEVTÎPKEQ terminal se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Foto del módulo electrónico terminal.

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BI El módulo coordinador se muestra a continuación:

Figura 4. Foto del módulo electrónico coordinador. El recubrimiento de estos 2 módulos se hizo en acrílico para darle soporte y no interferir con la señal de transmisión. .CKPVGTHC\ſPCNFGNCCRNKECEKÎPGUETKVQTKQUGOWGUVTCGPNC(KIWTC

Figura 5. Pestaña de bienvenida – Aplicación escritorio. .CKPVGTHC\ſPCNFGNCCRNKECEKÎPYGDUGOWGUVTCGPNCſIWTC

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Figura 6. Pantalla principal de la aplicación Web Tanto la aplicación web como la aplicación escritorio requieren de una CWVGPVKſECEKÎPRCTCKPKEKCTUGUKÎP[CEEGFGTCNUKUVGOCFGCEWGTFQCNTQN registrado. En la Figura 7 se muestra una de las vistas del consumo de energía de un mes realizadas durante las pruebas de laboratorio.

Figura 7. Pantalla de vista de consumo – Aplicación Web

IV. CONCLUSIONES

Las pruebas del sistema Telenergy se hicieron con dos (2) módulos terminales y uno (1) concentrador, por lo cual no se pudo apreciar su comportamiento a gran escala y así determinar posibles falencias en la comunicación, sin embargo se trabajó arduamente en poder dejar el sistema muy modular y que permita la escalabilidad del mismo.

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BI La utilización de tecnología GPRS para la transmisión de los datos DTKPFÎ CN RTQ[GEVQ WP CJQTTQ UKIPKſECVKXQ GP GN EQUVG FG VTCPUOKUKÎP de datos. El inconveniente es la cobertura de señal que puede llegar comprometer la comunicación. Durante el desarrollo del proyecto se logró observar que la tendencia nacional y mundial es automatizar todos los sistemas de medición y apuntar hacia una medición centralizada. Debido a esto es claro ver que este tipo de proyectos están muy bien aspectados a futuro, no solo como herramienta para la región sino también para otras regiones y necesidades.

V. REFERENCIAS

[1] ETSI European Telecommunications Standards Institute. “Smart Grids”, [en línea]. Dirección URL: < http://www.etsi.org/technologiesclusters/technologies/575-smart-grids>. [Consulta: 10 Abril 2011]. [2] GOOGLE project. “Google Powermeter”. [en línea]. Dirección URL: . [Consulta: 20 Marzo 2011]. [3] Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios. “Nivel de Satisfacción de los Usuarios NSU de Servicios Públicos Domiciliarios segundo semestre 2008”, [en línea]. Estudios y publicaciones SSPD. Dirección URL: . [Consulta: 22 Abril 2011] [4] DIGI International Inc. “ZigBee® Wireless Standard”. [en línea]. Dirección URL: . [Consulta 20 enero 2012] [5] Desarrollador Senior - blog. “Patrón Singleton”. [en línea]. Dirección URL: < http://desarrolladorsenior.blogspot.com/2009/09/el-patron-dediseno-singleton-esta.html >. [Consulta 15 enero 2012] [6] Proactiva. “Patrón Modelo-vista-controlador”. [en línea]. Dirección URL: . [Consulta 21 enero 2012]

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