Desarrollo de una Plataforma de Control Android para la Gestión Inteligente del Alumbrado Exterior

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1 Desarrollo de una Plataforma de Control Android para la Gestión Inteligente del Alumbrado Exterior Leire Torres, Txema Perez, Miren Illarramendi Embedded Systems Research Group Mondragon Goi Eskola Politeknikoa (MGEP) Arrasate-Mondragon, Spain Oskar Berreteaga Ulma Embedded Solutions S.Coop Oñati, Spain Abstract En este artículo se presentan las características de un Sistema Inteligente de Alumbrado Exterior basada en una arquitectura de 4 niveles, desarrollado por el equipo de Sistemas Inteligentes de Control Distribuido de la Escuela Politécnica Superior de Mondragón Unibertsitatea en colaboración con la cooperativa Ulma Embedded Solutions. Esta arquitectura se basa en la introducción de un nuevo dispositivo, la Célula de Gestión Independiente (CGI), que ha sido desarrollada en una placa SabreLite i.mx6 con Android. Este dispositivo, posibilita crear áreas de gestión independientes más manejables haciendo que a la hora de materializar una instalación ésta pueda llevarse a cabo de forma escalonada sin afectar al funcionamiento del sistema global. La utilización de Android ha permitido desarrollar un interfaz intuitivo y atractivo al mismo que tiempo que facilita la portabilidad de la aplicación a diferentes tipos de dispositivos. Keywords: Android, Alumbrado Inteligente, Sistemas Embebidos I. INTRODUCCIÓN La creciente sensibilidad por el medio ambiente y el desarrollo sostenible hace que la reducción del consumo energético sea uno de los objetivos en prácticamente todos los ámbitos sociales. Dentro de este marco, la reducción del consumo energético del alumbrado exterior es uno de los objetivos que las administraciones locales, responsables de dicho alumbrado, asumen. Realmente es un consumo importante ya que el alumbrado urbano supone el 20/100 del consumo eléctrico mundial [1]. La eficiencia energética de una instalación de alumbrado exterior (ɛ) se define como la relación entre el producto de la superficie iluminado por la iluminancia media en servicio de la instalación entre la potencia activa total instalada [2]. Esta eficiencia se puede determinar mediante la utilización de los siguientes factores: Eficiencia de la lámpara y equipos auxiliares ɛ L : Es la relación entre el flujo luminoso emitido por una lámpara y la potencia total consumida por la lámpara más su equipo auxiliar. Factor de mantenimiento f m : Es la relación entre los valores de iluminancia que se pretenden mantener a lo largo de la vida de la instalación de alumbrado y los valores iniciales. Factor de utilización f u : Es la relación entre el flujo útil procedente de las luminarias que llega a la calzada o superficie a iluminar y el flujo emitido por las lámparas instaladas en las luminarias. (m 2 lux) ɛ = ɛ L f m f u (1) W El factor de utilización de la instalación es función del tipo de lámpara, de la distribución de la intensidad luminosa y rendimiento de las luminarias, así como de la geometría de la instalación, tanto a lo referente a las características dimensionales de la superficie a iluminar (longitud y anchura), como a la disposición de las luminarias en la instalación de alumbrado exterior (tipo de implantación, altura de las luminarias y separación entre los puntos de luz). Para mejorar la eficiencia energética de una instalación de alumbrado se podrá actuar incrementando el valor de cualquiera de los 3 factores anteriores, de forma que la instalación más eficiente será aquella en la que el producto de los tres factores - eficiencia de las lámparas y equipos auxiliares, y factores de mantenimiento y utilización - sea máximo. Así, se deduce que para obtener un adecuado nivel de eficiencia energética existen dos tipos de factores sobre los que se puede incidir: Factores estructurales: son los relativos a la instalación, el diseño de las luminarias, su ubicación y las lámparas utilizadas. Factores de gestión: son los relativos a la gestión de la degradación de las luminarias. En estos influye la gestión de la utilización de las lámparas y la gestión del mantenimiento de las luminarias. El concepto de Smart Lighting hace referencia a la utilización de las TIC a la gestión de estos últimos factores. La eficiencia lumínica de las lámparas sufren una degradación relacionada con su uso y su mantenimiento (limpieza, sustituciones,... ), la utilización de las TIC posibilita:

2 Adaptar el uso de las lámparas a las condiciones del entorno optimizando su ciclo vida Optimizar las funciones de mantenimiento en función de la utilización real de la lámpara. Actualmente la arquitectura más generalizada en los sistemas de alumbrado inteligentes es la mostrada en la Figura 1 [3]: II. OBJETIVOS DEL PROYECTO Tal y como se ha dicho arriba, los resultados que se presentan en este artículo son resultados del proyecto de investigación llamado LUMEX y PANGEA (GAITEK: Gobierno Vasco; Smart Gipuzkoa: Diputación Foral de Gipuzkoa). Dicho proyecto se puso en marcha con el objetivo de dar una nueva solución más flexible a los sistemas de alumbrado ya existentes. Uno de los objetivos importantes planteados en el proyecto fue el de ofrecer un sistema más económico y flexible al mercado de alumbrado exterior. Para ello, se llevó a cabo un estudio sobre las arquitecturas existentes en el mercado y tal y como se ha descrito en el apartado de introducción, estas soluciones tenían una serie de desventajas. De este estudio, salió la necesidad y el objetivo de desarrollar un prototipo experimental que posibilita una Gestión distribuida del Sistema de Alumbrado Exterior, introduciendo un nuevo dispositivo al que se denomina Célula de Gestión Independiente (CGI). Con ello, se planteaba una nueva arquitectura para este tipo de sistemas. Fig. 1. Arquitecturas y tecnologías en un sistema de alumbrado inteligente Esta arquitectura de 3 niveles, basada en un sistema de gestión central y un conjunto de concentradores con un nivel de inteligencia distribuida variable según el sistema, presenta una serie de dificultades para su implantación: Solución todo/nada: Aunque se dote de un diseño modular al Sistema de Gestión Central, la solución aportada por el sistema tiene sentido si se implementa el Sistema en su totalidad. Es decir, el control de área de iluminación con sus capacidades de comunicación, monitorización y control tiene sentido si existe un Sistema de Gestión Central. Con lo que la Administración Local responsable del Sistema de Alumbrado Exterior se enfrenta a la necesidad de implantar el sistema en su globalidad o nada. Solución sobredimensionada para el sector privado: Estos sistemas diseñados para gestionar el alumbrado de exterior de ciudades no se adecua a las necesidades de empresas privadas que tienen necesidades similares pero que la dimensión de su instalación es mucho menor. En este artículo se presentará el resultado de un trabajo llevado a cabo en un proyecto de investigación con la ayuda y financiación del Gobierno Vasco y la Diputación de Gipuzkoa (programa GAITEK y Smart Gipuzkoa). En ella, se ha desarrollado una nueva arquitectura y una nueva solución para sistemas de alumbrado de exterior. El trabajo a presentar se ha estructurado de la siguiente forma: en la sección II se mostrarán los objetivos del proyecto llevado a cabo. En la sección III se especificará la arquitectura del nuevo sistema y tecnologías consideradas para cada parte de la solución. En la sección IV se mostrará en detalle el nuevo módulo CGI desarrollado en el proyecto. Finalmente, en la sección V se mostrarán las conclusiones del trabajo realizado. Los participantes industriales del proyecto (Ulma Embedded Solutions S.Coop. e Iluminación inteligente Luix) veían claramente una oportunidad para esta nueva arquitectura ya que esta solución da la posibilidad de abrir nuevos mercados en empresas e industrias que requieren de sistemas de alumbrado. Otro de los objetivos perseguidos en el proyecto fue que el nuevo producto tenía que ser capaz de hacer una gestión inteligente de la energía y los recursos energéticos. La introducción de un nuevo módulo en la arquitectura de alumbrado hace que la gestión sea más local pero sin perder la oportunidad de poder conectarse a servidores centrales con capacidad de hacer una gestión más centralizada. De este modo, además de la gestión local, el sistema se podrá abastecer de datos de otros sistemas y decidir su comportamiento en base a ellas, como pueden ser datos de consumo o tarifas de energía. Decimos esto, porque el sistema central podría también disponer de otro tipo de servicios como tarifas o estado de sistemas de cogeneración lo cual nos daría la posibilidad de decidir la intensidad de luz a utilizar por ejemplo. Aún no teniendo acceso a sistemas centrales, debido a que este nuevo módulo tiene conectividad, el propio módulo se podría configurar para acceder a servicios que interesen y así hacer un uso eficiente de recursos. Por último, también se consideró el poder usar diferentes tipos de dispositivo para poder conectarse al sistema. Con la tecnología actual, y habiendo desarrollado este nuevo módulo, se vio claramente la posibilidad de usar diferentes tipos de dispositivo (smartphones, tablets,... ) con capacidad de conectarse a dicho módulo y poder controlar y monitorizar el sistema de alumbrado de forma remota sin necesidad de dispositivos adicionales. Por lo tanto, después del estudio preliminar realizado, se definieron los objetivos técnicos a perseguir en el proyecto: Diseño y Desarrollo de una nueva arquitectura de 4 niveles para Sistemas de Alumbrado Exteriores.

3 Diseño y Desarrollo del HW y SW necesario para esta nueva arquitectura aprovechando la tecnología ya existente en el mercado (productos de LUIX). Diseño y Desarrollo de una Aplicaciones SW para diferentes tipos de dispositivos comerciales: Smart- Phones, Tablets,... para la gestión remota de sistema de alumbrado exterior. Diseño y Desarrollo de módulo SW para la gestión de la eficiencia energética. III. ARQUITECTURA Y TECNOLOGÍAS DE LA NUEVA SOLUCIÓN En la Figura 2 puede verse la arquitectura del sistema que ha sido implementado en este proyecto. Fig. 2. Arquitectura Lumex Las ventajas de la solución planteada en este proyecto es que al ofrecer un nivel intermedio de gestión (no sólo de control) se posibilita que se puedan implantar proyectos parciales de gestión inteligente del alumbrado sin necesidad de disponer de un Sistema de Control Central, como puede verse en la Figura 3. Fig. 3. Sistema de Control del Alumbrado basado en una Célula de Gestión Independiente y Dispositivos Móviles Como se puede observar, esta nueva arquitectura dispone de diferentes partes y diferentes tecnologías a utilizar. A continuación, se describirá qué alternativas o tecnologías se han considerado durante la elaboración del proyecto y la solución final adoptada. El sistema dispone de diferentes niveles y tipos de dispositivos. En el primer nivel, tendríamos los puntos de luz y sensores que se instalan en la calle o en un pabellón industrial. Para cada proyecto, el cliente podría elegir su propia tecnología y sensores a utilizar pero dentro del proyecto, se ha descrito una solución patrón que nos parece adecuada: Puntos de Luz: tecnología Led Sensores: Luminosidad, Temperatura, Radar(detector de presencia) A este nivel, no se ha desarrollado nada nuevo. Tal y como se comenta, se pretende utilizar tecnología ya disponible. En este caso, la empresa LUIX ya trabaja con esta tecnología y realiza instalaciones. En el nivel 2 nos encontramos con el Controlador de Área. Este dispositivo se conecta con los puntos de luz y sensores y a su vez recibe órdenes y manda información a los dispositivos de nivel superior (CGI o Servidor Central). Para llevar a cabo la comunicación con el nivel 1 (Puntos de Luz y Sensores), existen diferentes opciones y tecnologías en el mercado. Entrando en el mundo de la iluminación, nos encontramos con soluciones muy cerradas en las que hacer este tipo de desarrollos es muy difícil (por ejemplo, la tecnología PHILLIPS proporciona toda la solución integrada sin posibilidad de modificar: protocolos propios,diseño cerrado,... ). Es verdad que hay iniciativas con el objetivo de estandarizar este tipo de instalaciones como se puede observar en [4] pero a día de hoy es muy difícil entrar en ese mundo. Por todo ello y teniendo en cuenta que uno de los participantes en el proyecto ya disponía de una solución en funcionamiento, la solución planteada en el proyecto fue la tecnología PLC (Power Line Communications) ya que es la que utilizan en la empresa LUIX. De esta forma, el Controlador de Área se conecta con los dispositivos del nivel 1 utilizando PLC y un protocolo propietario de la empresa LUIX. Por otra parte, dicho Controlador de Área se tenía que conectar con la nueva célula de gestión independiente (CGI). LUIX ya disponía de una solución que conectaba este controlador con sistemas de centrales basado en la tecnología ICE (Internet Communications Engine). En este caso, también se decidió reutilizar en la medida de lo posible lo que ya estaba implementado para poner en comunicación el Controlador de Área con el CGI. De esta forma, la parte central del proyecto se enfocó en la creación del nuevo módulo de gestión independiente reutilizando en la medida de lo posible la tecnología ya desarrollada por LUIX. IV. CÉLULA DE GESTIÓN INDEPENDIENTE (CGI) El desarrollo de este módulo ha sido el principal trabajo del proyecto. La Célula de Gestión Independiente posibilita la implantación de un Sistema de Gestión de Alumbrado Externo a nivel local, sin necesidad de tener que disponer de un Sistema de Gestión Central Global.

4 Un requisito del proyecto fue la implementación de la CGI en una plataforma hardware en la que corre el sistema Operativo Android. La razón principal de este requisito era que uno de los participantes del proyecto (Ulma Embedded Solutions) había identificado interés por parte de diferentes clientes industriales sobre el uso de esta tecnología. Por lo tanto, se quería probar la viabilidad de usar esta tecnología en un sistema de control para ver su respuesta y viabilidad. Otra de las justificaciones de la utilización de Android en este proyecto se debe a las utilidades que ofrece esta tecnología para diseñar un interfaz gráfico y las posibilidades de trasladar las funcionalidades de la CGI a otros dispositivos (tablets, móviles). Una vez diseñada la arquitectura y decidido las tecnologías a utilizar, se definieron y desarrollaron las funcionalidades de la CGI : Para poder entender mejor el trabajo llevado a cabo, a continuación se muestra un diagrama describiendo la funcionalidad que ofrece el módulo desarrollado en el proyecto y los diferentes perfiles de usuario: Configuración: permite la definición de la instalación: dispositivos, agrupaciones, calendarios, programas de funcionamiento, interrelaciones entre sensores y luminarias, etc. Una vez configurada la registra en el controlador de área. Supervisión: responsable de mostrar el estado de la instalación Control: responsable de comunicarse con el controlador de área para que éste mediante la conexión PLC envíe la orden de control determinada a los puntos de luz que correspondan. La implementación se realizó sobre una a placa i.mx6 Sabre Lite de la firma Boundary Devices, con una capacidad sobredimensionada para la solución a implementar, pero que permitiría observar y optimizar el comportamiento del software incrementando notablemente la productividad. Gracias a las utilidades para el diseño de interfaces gráficos que proporciona Android se ha desarrolla un interfaz de usuario muy modular, muy atractivo visualmente y que resulta muy intuitivo para el usuario de aplicaciones Android. Cabe destacar el uso de fragments para el desarrollo de componentes que posibilitan la reutilización del código. Esto ha sido útil para adaptar la aplicación a los distintos tipos de dispositivos, mostrando o no mostrando fragments en base a sus dimensiones, como puede verse en la Figura 4. Fig. 5. Casos de Uso de la Aplicación desarrollada. Para probar los desarrollos llevados a cabo, se han utilizado instalaciones de alumbrado virtuales así como una instalación de laboratorio disponible en las instalaciones de LUIX. En la figura 6 y 7 se puede observar la instalación utilizada para las pruebas así como las primeras versiones del desarrollo: Fig. 6. Instalaciones de LUIX utilizadas para pruebas. Tal y como se ha descrito arriba, además del desarrollo del CGI uno de los objetivos perseguidos en el proyecto ha sido la creación de aplicaciones para diferentes tipos de dispositivos. En la figura 8, se muestra uno de los resultados en un Tablet Nexus. Fig. 4. Uso de fragmentos. V. CONCLUSIONES Se ha desarrollado un nuevo dispositivo, la Célula de Gestión Independiente, que permite implementar una arquitectura de 4 niveles en un sistema inteligente de gestión del alumbrado externo dotándole a éste de un alto grado de escalabilidad, posibilitando el disponer de una gestión inteligente del sistema de alumbrado dimensionado a las

5 planificar una implantacio n progresiva y escalable introduciendo ce lulas de gestio n independientes que gestionen a reas de alumbrado exterior concretas, como por ejemplo, centros comerciales, zonas industriales, etc. Esto permite a las Administraciones Locales asumir los costes de forma progresiva y al mismo tiempo valorar los beneficios y rentabilidad del sistema. Fig. 7. Fig. 8. Gestio n local de las necesidades/control Central: En aquellas zonas de alumbrado en las que sea posible la delegacio n del control del sistema se puede alcanzar un nivel mayor de eficiencia en la gestio n del sistema de alumbrado debido a la cercanı a de la gestio n del sistema. La Administracio n Central, responsable u ltima del Sistema de Alumbrado, establecerı a los ma rgenes en los que la gestio n local se puede mover y serı a e ste u ltimo el responsable de ajustar el sistema a las necesidades reales del entorno. Esto a su vez exigirı a un menor grado de automatizacio n del sistema para la determinacio n de las condiciones del entorno abaratando los costes. Reduccio n de costes de operacio n: En la arquitectura de 3 niveles un elemento clave es la conexio n entre el sistema de Control Central y los Controladores de A reas de Iluminacio n. La utilizacio n de ce lulas de gestio n independientes puede reducir notablemente el flujo de informacio n con el sistema de Control Central reduciendo los costes de operacio n del Sistema de Gestio n. CGI: una de las primeras versiones desarrolladas Aplicacio n Android para Tablet necesidades y a la capacidad de inversio n de la entidad que lo solicite, tanto del sector privado como administraciones locales. Se ha desarrollo utilizando el sistema operativo Android y aunque esto supone una carga extra para el sistema, se ve compensado por la calidad del interfaz gra fico que se consigue y por la posibilidad de trasladar el sistema a mu ltiples dispositivos. Se ha implementado una aplicacio n Android que permite controlar de forma remota una instalacio n de alumbrado con diferentes opciones segu n el perfil del usuario. Esta aplicacio n se puede instalar en cualquier dispositivo Android y esta disponible una versio n para pruebas sobre una infraestructura virtual (se podra ver en la demostracio n) No se ha implementado una gestio n de la eficiencia energe tica pero el sistema tiente las capacidades de ca lculo y almacenamiento necesarias para ello. Por u ltimo, destacar las ventajas que ofrece la nueva solucio n desarrollada: Objetivo global/implantacio n local: Con una perspectiva de implantacio n de un Sistema de Gestio n Central y Global del sistema de alumbrado se puede Esto da la capacidad de abordar proyectos de alumbrado inteligente de dimensio n variable, ajustando el coste en lugar de implantar soluciones sobredimensionadas o abordar enormes inversiones en infraestructuras. Remarcar que la solucio n presentada en este artı culo sigue en evolucio n ya que los integrantes de los proyectos LUMEX y PANGEA esta n ahora participando en el proyecto europeo llamado ARROWHEAD. En ella, se pretende poner en marcha un Piloto sobre Smart Urban Lighting basado en el trabajo presentado en este artı culo. AGRADECIMIENTOS Este proyecto con el acro nimo de LUMEX se ha desarrollado en colaboracio n con las empresas Ulma Embedded Solutions S.Coop. e Iluminacio n inteligente Luix y ha sido financiado por el Departamento de Desarrollo Econo mico y Competitividad del Gobierno Vasco y la Excma. Diputacio n de Gipuzkoa. R EFERENCES [1] Young M., Atici C., Ozcelebi T., Lukkien J. J., Exploring User- Centered Intelligent Road Lighting Design: A Road Map and Future Research Directions, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 57, No. 2, May 2011, [2] REAL DECRETO 1890/2008, de 14 de noviembre, por el que se aprueba el Reglamento de eficiencia energe tica en instalaciones de alumbrado exterior y sus Instrucciones te cnicas complementarias EA-01 a EA-07.

6 [3] Alexandru LAVRIC, Valentin POPA, Ilie FINIS, Daniel SIMION The design and implementation of an energy efficient street lighting monitoring and control system PRZEGLAD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 88 NR 11a/2012 [4] TALQ Consortium: TALQ Specification ( )

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