EXAMEN FINAL. 31 de Mayo del DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO DE MEDICION DE ENERGIA POR MEDIO DE TECNOLOGIA ZIGBEE y WIFI

Transcripción

1 EXAMEN FINAL 31 de Mayo del 2011 DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO DE MEDICION DE ENERGIA POR MEDIO DE TECNOLOGIA ZIGBEE y WIFI INGENIERIA EN TELECOMUNICACIONES ESTUDIANTES LUIS CARLOS PEÑA QUINTANA PABLO ANDRES SANTAMARIA ZARATE

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3 Índice general 1. INTRODUCCIÓN 3 2. OBJETIVOS Objetivo General Objetivos Especificos MARCO TEÓRICO Estándar Inalámbrico ZigBee Características: Algunas de las características de Zig- Bee son: Tipos de Dispositivos: Se definen tres tipos diferentes de dispositivos ZigBee según su papel en la red: Arquitectura: WIFI TELEMEDIDA MEDIDORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA CLASIFICACIÓN DE LOS MEDIDORES DE ACUER- DO CON SU CONSTRUCCIÓN DE ACUERDO CON LA ENERGÍA QUE MIDEN DE ACUERDO CON LA EXACTITUD Medidores clase DE ACUERDO CON LA CONEXIÓN EN LA RED ESTADO DEL ARTE Sistema de Gestión Inteligente Sistema integrado de operación remota, medición de energía y calidad del servicio i

4 ii ÍNDICE GENERAL 5. JUSTIFICACION CRONOGRAMA RESULTADOS ESPERADOS INFOGRAFIA 25

5 Índice de figuras 3.1. Diferentes capas que conforman la pila de protocolos para ZigBee CRONOGRAMA

6 2 ÍNDICE DE FIGURAS

7 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN El proyecto consiste en obtener, almacenar y transmitir la medición de consumo de energía eléctrica, mediante la utilización de dos tipos de medidores electrónicos instalados en diferentes partes de la ciudad, tambien se pretende optimizar, agilizar y masificar la toma de consumos de energía eléctrica de manera remota y detectar las perdidas de energía por medio de campos magnéticos en la ciudad de Bogotá. El proceso tradicional para la toma de consumos, se realiza mediante el desplazamiento de un lector el cual realiza un recorrido casa a casa hasta donde se encuentra instalado fisicamente el medidor y registrar esta lectura en un dispositivo electronico portatil al finalizar dicho ciclo de lectura esta información es descargada en una computadora y cargada a una base de datos para generar la facturacion correspondiente a cada cliente. Con el desarrollo de este proyecto se pretende realizar una mejora al procedimiento tradicional de medición de enérgia evitando asi errores en la toma de lecturas, lecturas promediadas debido a factores extrernos que no permiten la toma de lectura. Esto sera posible mediante la implementación de una tarjeta electrónica la que sera incorporada a un medidor monofasico y otro trifasico tipo electrónico, esta tarjeta incluye un modulo de conteo de pulsos para determinar el consumo de cada cliente, este valor obtenido sera enviado por medio de tecnologia ZigBee a un coordinador que guardara estos datos y luego se transmitiran a una base de datos por medio de tecnologia WIFI para generar la facturacion correspondiente. Tambien se contara con un modulo de deteccion de campos magneticos para asi detectar la aplicación de campos magneticos a medidores de enérgia y emitir una señal de alerta para que sea enviada una cuadrilla de control de perdidas y detectar a el usuario fraudulento. 3

8 4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

9 Capítulo 2 OBJETIVOS 2.1. Objetivo General Diseñar e implementar un prototipo de equipo de medición de energía de manera inalámbrica tomando como prototipo los equipos marca COM- PLANT tipo MEPO1 y ACTARIS tipo ACE3000 a los que se les instalara un dispositivo Zigbee que permitirá la transmisión de lectura en tiempo real, además de esto se pretende instalar un dispositivo electrónico que permita detectar la aplicación de campos magnéticos a equipos de medida y genere una alerta que se transmita en tiempo real Objetivos Especificos Diseñar un prototipo de medición de energía inalámbricamente. Implementar un dispositivo que permita el monitoreo de consumos de forma remota. Diseñar un sistema con escalabilidad de redes con tecnologías zigbee y wi. Agilizar los tiempos de toma de consumo de energía reduciendo errores de facturación. Detectar las perdidas de energía por aplicación de campos magnéticos. 5

10 6 CAPÍTULO 2. OBJETIVOS

11 Capítulo 3 MARCO TEÓRICO 3.1. Estándar Inalámbrico ZigBee ZigBee es un estándar de comunicaciones inalámbricas diseñado por la ZigBee Alliance. No es una tecnología, sino un conjunto estandarizado de soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante. ZigBee está basado en el estándar IEEE de redes inalámbricas de área personal (wireless personal área network, WPAN) y tiene como objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías.[1] Características: Algunas de las características de ZigBee son: ZigBee opera en las bandas libres ISM (Industrial, Scientific & Medical) de 2.4 GHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (Estados Unidos). Tiene una velocidad de transmisión de 250 Kbps y un rango de cobertura de 10 a 75 metros. A pesar de coexistir en la misma frecuencia con otro tipo de redes como WiFi o Bluetooth su desempeño no se ve afectado, esto debido a su baja tasa de transmisión y, a características propias del estándar IEEE Capacidad de operar en redes de gran densidad, esta característica ayuda a aumentar la confiabilidad de la comunicación, ya que entre 7

12 8 CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO más nodos existan dentro de una red, entonces, mayor número de rutas alternas existirán para garantizar que un paquete llegue a su destino. Cada red ZigBee tiene un identificador de red único, lo que permita que coexistan varias redes en un mismo canal de comunicación sin ningún problema.. Teóricamente pueden existir hasta redes diferentes en un mismo canal y cada red puede estar constituida por hasta nodos, obviamente estos límites se ven truncados por algunas restricciones físicas (memoria disponible, ancho de banda, etc.). Es un protocolo de comunicación multi-salto, es decir, que se puede establecer comunicación entre dos nodos aún cuando estos se encuentren fuera del rango de transmisión, siempre y cuando existan otros nodos intermedios que los interconecten, de esta manera, se incrementa el área de cobertura de la red. Su topología de malla (MESH) permite a la red auto recuperarse de problemas en la comunicación aumentando su confiabilidad Tipos de Dispositivos: Se definen tres tipos diferentes de dispositivos ZigBee según su papel en la red: Coordinador ZigBee (ZigBee coordinator, ZC). El tipo de dispositivo más completo. Puede actuar como director de una red en árbol así como servir de enlace a otras redes. Existe exactamente un coordinador por cada red, que es el nodo que la comienza en principio. Puede almacenar información sobre la red y actuar como su centro de confianza en la distribución de claves de cifrado. Router ZigBee (ZR). Además de ofrecer un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario, puede actuar como router interconectando dispositivos separados en la topología de la red. Dispositivo final (ZigBee end device, ZED). Posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre (el coordinador o un router), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos. De esta forma, este tipo de nodo puede estar dormido la mayor parte del tiempo, aumentando la vida media

13 3.1. ESTÁNDAR INALÁMBRICO ZIGBEE 9 Figura 3.1: Diferentes capas que conforman la pila de protocolos para ZigBee de sus baterías. Un ZED tiene requerimientos mínimos de memoria y es por tanto significativamente más barato Arquitectura: ZigBee es una pila de protocolos, que de manera similar al modelo OSI esta constituido por diferentes capas, las cuales son independientes una de la otra. En la figura 1 se muestran las diferentes capas que conforman la pila de protocolos para ZigBee. En la figura 1 se muestran las diferentes capas que conforman la pila de protocolos para ZigBee. La capa de más bajo nivel es la capa física (PHY), que en conjunto con la capa de acceso al medio (MAC), brindan los servicios de transmisión de datos por el aire, punto a punto. Estas dos capas esta descritas en el estándar IEEE El estándar trabaja sobre las bandas ISM de uso no regulado, dónde se definen hasta 16 canales en el rango de 2.4 GHz, cada una de ellas con un ancho de banda de 5 MHz. Se utilizan radios con un espectro de dispersión de secuencia directa, lográndose tasas de transmisión en el aire de hasta 250 Kbps en rangos que oscilan entre los 10 y 75 m, los cuales dependen bastante del entorno. La capa de red (NWK) tiene como objetivo principal permitir el correcto uso del subnivel MAC y ofrecer una interfaz adecuada para su uso por parte de la capa de aplicación. En esta capa se brindan los métodos

14 10 CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO necesarios para: iniciar la red, unirse a la red, enrutar paquetes dirigidos a otros nodos en la red, proporcionar los medios para garantizar la entrega del paquete al destinatario final, filtrar paquetes recibidos, cifrarlos y autentificarlos. Se debe tener en cuenta que el algoritmo de enrutamiento que se usa es el de enrutamiento de malla, el cual se basa en el protocolo Ad Hoc On-Demand Vector Routing AODV. Cuando esta capa se encuentra cumpliendo la función de unir o separar dispositivos a través del controlador de red, implementa seguridad, y encamina tramas a sus respectivos 3 destinos; además, la capa de red del controlador de red es responsable de crear una nueva red y asignar direcciones a los dispositivos de la misma. Es en esta capa en donde se implementan las distintas topologías de red que ZigBee soporta (árbol, estrella y mesh network).[1] Seguridad La seguridad de las transmisiones y de los datos son puntos clave en la tecnología ZigBee. ZigBee utiliza el modelo de seguridad de la subcapa MAC IEEE , la cual especifica 4 servicios de seguridad. Control de accesos: El dispositivo mantiene una lista de los dispositivos comprobados en la red. Datos Encriptados: Los cuales usan una encriptación con un código de 128 bits. Integración de tramas: Protegen los datos de ser modificados por otros. Secuencias de refresco: Comprueban que las tramas no han sido reemplazadas por otras. El controlador de red comprueba estas tramas de refresco y su valor, para ver si son las esperadas. La siguiente capa es la de soporte a la aplicación que es el responsable de mantener el rol que el nodo juega en la red, filtrar paquetes a nivel de aplicación, mantener la relación de grupos y dispositivos con los que la aplicación interactúa y simplificar el envío de datos a los diferentes nodos de la red. La capa de Red y de soporte a la aplicación son definidas por la ZigBee Alliance.

15 3.1. ESTÁNDAR INALÁMBRICO ZIGBEE 11 En el nivel conceptual más alto se encuentra la capa de aplicación que no es otra cosa que la aplicación misma y de la que se encargan los fabricantes. Es en esta capa donde se encuentran los ZDO (ZigBee Device Objects) que se encargan de definir el papel del dispositivo en la red, si el actuará como coordinador, ruteador o dispositivo final; la subcapa APS y los objetos de aplicación definidos por cada uno de los fabricantes. Cada capa se comunica con sus capas subyacentes a través de una interfase de datos y otra de control, las capas superiores solicitan servicios a las capas inferiores, y éstas reportan sus resultados a las superiores. Además de las capas mencionadas, a la arquitectura se integran otro par de módulos: módulo de seguridad, que es quien provee los servicios para cifrar y autentificar los paquetes, y el módulo de administración del dispositivo ZigBee, que es quien se encarga de administrar los recursos de red del dispositivo local, además de proporcionar a la aplicación funciones de administración remota de red WIFI WiFi, es la sigla para Wireless Fidelity (Wi-Fi), que significa Fidelidad inalámbrica. Es un conjunto de redes que no requieren de cables y que funcionan en base a ciertos protocolos previamente establecidos. Si bien fue creado para acceder a redes locales inalámbricas, hoy es muy frecuente que sea utilizado para establecer conexiones a Internet. [2] WiFi es una marca de la compañía Wi-Fi Alliance que está a cargo de certificar que los equipos cumplan con la normativa vigente (que en el caso de esta tecnología es la IEEE ). Esta nueva tecnología surgió por la necesidad de establecer un mecanismo de conexión inalámbrica que fuera compatible entre los distintos aparatos. En busca de esa compatibilidad fue que en 1999 las empresas 3com, Airones, Intersil, Lucent Technologies, Nokia y Symbol Technologies se reunieron para crear la Wireless Ethernet Compability Aliance (WECA), actualmente llamada Wi-Fi Alliance. Al año siguiente de su creación la WECA certificó que todos los aparatos que tengan el sello WiFi serán compatibles entre sí ya que están de acuerdo con los criterios estipulados en el protocolo que establece la norma IEEE En concreto, esta tecnología permite a los usuarios establecer conexiones a Internet sin ningún tipo de cables y puede encontrarse en cualquier lugar

16 12 CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO que se haya establecido un "punto caliente" o hotspot WiFi. Actualmente existen cuatro tipos de conexiones que se mustran a continuación: El primero es el estándar IEEE b que opera en la banda de 2,4 GHz a una velocidad de hasta 11 Mbps. El segundo es el IEEE g que también opera en la banda de 2,4 GHz, pero a una velocidad mayor, alcanzando hasta los 54 Mbps. El tercero, que está en uso es el estándar IEEE ł que se le conoce como WiFi 5, ya que opera en la banda de 5 GHz, a una velocidad de 54 Mbps. Una de las principales ventajas de esta conexión es que cuenta con menos interferencias que los que operan en las bandas de 2,4 GHz ya que no comparte la banda de operaciones con otras tecnologías como los Bluetooth. Wifi N ó n: En la actualidad la mayoría de productos son de la especificación b o g, sin embargo ya se ha ratificado el estándar n que sube el límite teórico hasta los 600 Mbps. Para contar con este tipo de tecnología es necesario disponer de un punto de acceso que se conecte al módem y un dispositivo WiFi conectado al equipo. Aunque el sistema de conexión es bastante sencillo, trae aparejado riesgos ya que no es difícil interceptar la información que circula por medio del aire. Para evitar este problema se recomienda la encriptación de la información. Actualmente, en muchas ciudades se han instalados nodos WiFi que permiten la conexión a los usuarios. Cada vez es más común ver personas que pueden conectarse a Internet desde cafés, estaciones de metro y bibliotecas, entre muchos otros lugares. Los distintos estándares Wi-Fi: El estándar en realidad es el primer estándar y permite un ancho de banda de 1 a 2 Mbps. El estándar original se ha modificado para optimizar el ancho de banda (incluidos los estándares a, b y g, denominados estándares físicos ) o para especificar componentes de mejor manera con el fin de garantizar mayor seguridad o compatibilidad.[3]

17 3.1. ESTÁNDAR INALÁMBRICO ZIGBEE TELEMEDIDA La medición de energía eléctrica que se efectúa mediante medidores o contadores, resulta de interés para calcular la cantidad de energía que la compañía suministradora debe facturar a los consumidores.[5] MEDIDORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA Los medidores de energía son aparatos usados para la medida del consumo de energía. Existen varios tipos de medidores dependiendo de su construcción, tipo de energía que mide, clase de precisión y conexión a la red eléctrica.[6] CLASIFICACIÓN DE LOS MEDIDORES DE ACUERDO CON SU CONSTRUCCIÓN Medidores de inducción (Electrónicos) Es un medidor en el cual las corrientes en las bobinas fijas reaccionan con las inducidas en un elemento móvil, generalmente un disco, haciéndolo mover. El principio de funcionamiento es muy similar al de los motores de inducción y se basa en la teoría de la relación de corriente eléctrica con los campos magnéticos Medidores estáticos (Electrónicos) Medidores en los cuales la corriente y la tensión actúan sobre elementos de estado sólido (electrónicos) para producir pulsos de salida y cuya frecuencia es proporcional a los Vatios-hora ó Var-hora. Están construidos con dispositivos electrónicos, generalmente son de mayor precisión que los electromagnéticos y por ello se utilizan para medir en centros de energía, donde se justifique su mayor costo. [6] DE ACUERDO CON LA ENERGÍA QUE MI- DEN Medidores de energía activa Mide el consumo de energía activa en kilovatios hora.

18 14 CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO Medidores de energía reactiva Mide el consumo de energía reactiva en kilovares hora. La energía reactiva se mide con medidores electrónicos que miden tanto la energía activa como la energía reactiva DE ACUERDO CON LA EXACTITUD Según la norma NTC 2288 y 2148, los medidores se dividen en 3 clases: 0.5, 1 y Medidores clase 0.5 Se utilizan para medir la energía activa suministrada en bloque en punto de frontera con otras empresas electrificadoras o grandes consumidores alimentados a 115 kv Medidores clase 1 Incluye los medidores trifásicos para medir energía activa y reactiva de grandes consumidores, para clientes mayores de 55 Kw Cuando el cliente es no regulado la tarifa es horaria, por tanto el medidor electrónico debe tener puerto de comunicación o modem para enviar la información a través de la línea telefónica Medidores clase 2 Es la clasificación básica e incluye los medidores monofásicos y trifásicos para medir energía activa en casas, oficinas, locales comerciales y pequeñas industrias con cargas menores de 55 kw. El índice de clase 0,5, 1, y 2 significa los límites de error porcentual admisible para todos los valores de corriente entre el 10 % nominal y la I máxima con un factor de potencia igual a uno. Los medidores electrónicos de energía activa, deben cumplir con la norma NTC 2147 Medidores Estáticos de Energía Activa. Especificaciones Metrológicos para clase 0.2S y 0.5S y NTC 4052 Medidores Estáticos de Energía Activa para corriente alterna clase 1 y 2. El índice de clase es el número que expresa el límite de error porcentual admisible para todos los valores de corriente entre 0,1 veces la corriente básica y la corriente máxima ó entre 0.05 veces la corriente nominal y la corriente máxima con un Cos f = 1.

19 3.1. ESTÁNDAR INALÁMBRICO ZIGBEE DE ACUERDO CON LA CONEXIÓN EN LA RED Medidor monofásico bifilar Se utiliza para el registro de consumo en una acometida que tenga un solo conductor activo o fase y un conductor no activo o neutro Medidor monofásico trifilar Se utiliza para el registro del consumo de una acometida monofásica de fase partida (120/240 V) donde se tienen dos conductores activos y uno no activo o neutro Medidor bifásico trifilar Se utiliza para el registro del consumo de energía de una acometida en B.T de dos fases y tres hilos, alimentadas de la red de B.T de distribución trifásica Medidor trifásico tetrafilar Se utiliza para el consumo de energía de una acometida trifásica en B.T de tres fases y cuatro hilos Medidor trifásico trifilar Se utiliza para el registro de consumo de energía de una acometida trifásica de tres fases sin neutro. [6]

20 16 CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO

21 Capítulo 4 ESTADO DEL ARTE 4.1. Sistema de Gestión Inteligente Mr. DiMS es la herramienta que posibilita a las empresas distribuidoras y comercializadoras de energía eléctrica, realizar una gestión eficiente de sus servicios, poniendo a disponibilidad para ello información completa del consumo de la cartera de clientes, mediante un medio económico y confiable. El Sistema Central de Gestión Mr. DiMS proporciona una forma de administrar usuarios de energía eléctrica (opcionalmente también agua y gas) mediante la lectura remota del consumo sobre el servicio (lo que se conoce mundialmente como "AMR" o Automated Meter Reading) y permite la toma de decisiones comerciales, administrativas y/o técnicas en base a las mismas. En el primer eslabón de la cadena de información se encuentran los terminales de usuario DiMET (monofásicos o trifásicos), que efectúan mediciones en forma sucesiva de tensión y corriente, las promedia y las guarda en intervalos de tiempo configurables (el valor típico es cada 15 minutos), junto con los valores de energía activa y reactiva. Posteriormente, los concentradores DiMEC realizan un barrido secuencial de los terminales para leer y actualizar la información de consumo y servicio de cada usuario. La frecuencia de dicha interrogación es configurable (típico cada 2 horas). En entornos urbanos, la comunicación entre los terminales y el concentrador, se realiza a través de tecnología PLC (Power Line Communication) que emplea la sinusoide de la tensión de red como onda portadora de la información recogida por el terminal de usuario. Esta información se almacena en los concentradores hasta ser enviada al Sistema Central de Gestión, vía GPRS (celular) o bien ADSL (en caso de estar 17

22 18 CAPÍTULO 4. ESTADO DEL ARTE disponible).[8] Para los entornos rurales, DISCAR ofrece soluciones específicas que no requieren concentradores, sino que los terminales se comunican directamente via GSM/GPRS (celular) con el Sistema Central de Gestión Mr.DiMS.[8] 4.2. Sistema integrado de operación remota, medición de energía y calidad del servicio justificación : Debido a las diversas problemáticas observadas durante la realización de las actividades que involucra el procedimiento de toma de lecturas del consumo de energía eléctrica, en las poblaciones urbanas y rurales del estado de Oaxaca; entre las que se destaca el complicado acceso y desplazamiento al lugar de medición, así como los tiempos prolongados destinados a esta actividad por medio de los lectores. Surge la necesidad de desarrollar y aplicar un sistema de medición remota de energía electrica, que permita obtener lecturas de consumo eléctrico en forma fácil, rápida, precisa y a distancia, agilizando el procedimiento de la información y facturación correspondiente, mediante la aplicación de los conocimientos y técnicas del área de electrónica, telecomunicaciones e informática.[9] objetivo : El objetivo general de este trabajo es el diseño, implementación y aplicación del hardware del sistema de medición remota de energía eléctrica. objetivos especificos : Diseño y construcción de una tarjeta electrónica para convertir los giros del disco en valores digitales. Transmisión de información digital, vía red eléctrica, entre el medidor y un concentrador de datos. Diseño y construcción de un concentrador de datos, destinado a reunir la información de los medidores instalados en una red de baja tensión, mediante enlaces efectuados a través de la misma línea de energía eléctrica. Transmisión de la información del concentrador de datos a la estación central, utiliando un enlace de la comunicación radioeléctrico punto a punto.[10]

23 Capítulo 5 JUSTIFICACION Por medio de este proyecto se busca optimizar, agilizar y masicar la toma de consumos de energía de manera remota y reducir las de pérdidas de energía en la ciudad de Bogotá, basándose en los conocimientos adquiridos durante la formación académica, promoviendo el desarrollo social y tecnológico. 19

24 20 CAPÍTULO 5. JUSTIFICACION

25 Capítulo 6 CRONOGRAMA 21

26 22 CAPÍTULO 6. CRONOGRAMA Figura 6.1: CRONOGRAMA

27 Capítulo 7 RESULTADOS ESPERADOS La implementacion de un sistema de medición remota que permita a la empresa copmercializadora optimizar la toma de lecturas y generar la posterior facturación. Verificar la viabilidad comercial del prototipo para incrementar los campos de acción del mismo. Poder detectar el hurto de energia por aplicacion de campos magneticos. Diseñar un modelo de escalabilidad de redes por medio de diferentes tecnologías inalambricas. Incrementar la eficiencia de la gestión en los procesos que implementa el proyecto, aprovechando los beneficios que ofrecen la Telemedida sin importar la ubicacion geografica del usuario. 23

28 24 CAPÍTULO 7. RESULTADOS ESPERADOS

29 Capítulo 8 INFOGRAFIA [1] [2] A. Johnson y J.M. Díaz, LAN inálambrica y conmutada : guía de prácticas de CCNA Exploration, Madrid: CISCO : Pearson Educación, [3] D. Bateman and W. Burton, CCNA voice, Indianapolis, Ind.: Que Pub., [4] [5] [6] [7]6_26_2007_12_25_17_PM_GENERALIDADES %207.4.pdf [8] [9] [10] 25