DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO DE MEDICION DE ENERGIA POR MEDIO DE TECNOLOGIA ZIGBEE y WIFI MARCO TEORICO

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1 DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO DE MEDICION DE ENERGIA POR MEDIO DE TECNOLOGIA ZIGBEE y WIFI MARCO TEORICO 28 de marzo de 2011

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3 Índice general ZigBee Descripción de ZigBee Características[3] Dispositivos WiFi Descripcion de WiFi Estandares WiFi[1, 3] Telemedida y Telegestion Elementos de una red de Telemedida Telegestion Ventajas de la Telegestion[4] i

4 ii ÍNDICE GENERAL

5 Capítulo 1 1. ZigBee 1.1. Descripción de ZigBee A diferencia de lo que se cree o conoce por muchas de las personas, Zig- Bee no es una tecnología es solo un conjunto de estándares de comunicaciones inalámbricas que proporcionan soluciones y que pueden ser utilizadas por cualquier fabricante de dispositivos tecnológicos. ZigBee es un estándar basado en el IEEE (estándar de redes inalámbricas de área personal WPAN ) y tiene como principal aplicación las comunicaciones seguras y con bajas tasas de envío de datos Características[3] 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

6 2 CAPÍTULO ZIGBEE Capacidad de operar en redes de gran densidad, esta característica ayuda a aumentar la confiabilidad de la comunicación, ya que entre 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 Dispositivos Con ZigBee se pueden elaborar básicamente tres diferentes dispositivos los cuales se nombran según su funcionalidad y rol en la red creada con estos. A continuación se describen estos dispositivos: Se definen tres tipos diferentes de dispositivos ZigBee según su papel en la red: ZigBee coordinator, (ZC). Este tipo de dispositivo es el mas completo por sus diferentes funcionalidades. 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.[2]

7 1.3. DISPOSITIVOS 3 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.[2] 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 de sus baterías. Un ZED tiene requerimientos mínimos de memoria y es por tanto significativamente más barato.[2] En base a su funcionalidad puede plantearse una segunda clasificación: Dispositivo de funcionalidad completa (FFD): es capaz de recibir mensajes en formato del estándar Gracias a la memoria adicional y a la capacidad de computar, puede funcionar como coordinador o router o puede ser usado en dispositivos de red que actúen de interface con los usuarios.[2] Dispositivo de funcionalidad reducida (RFD): tiene capacidad y funcionalidad limitadas (especificada en el estándar) con el objetivo de conseguir un bajo oste y una gran simplicidad. Básicamente, son los sensores/actuadores de la red.[2]

8 4 CAPÍTULO ZIGBEE

9 Capítulo 2 2. WiFi 2.1. Descripcion de WiFi WiFi es la abreviación de Wireless Fidelity que significa fidelidad inalámbrica; WiFi es un conjunto de redes que no requiere de ningún tipo de conexión por medio de cables y funcionan basándose en diferentes protocolos ya establecidos. Se inicio para la interconexión y el acceso a redes locales inalámbricas, pero hoy en día se utiliza bastante para establecer conexiones a internet. 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. En concreto, esta tecnología permite a los usuarios establecer conexiones a Internet sin ningún tipo de cables y puede encontrarse en cualquier lugar que se haya establecido un "punto caliente" o hotspot WiFi. [5]Actualmente existen tres tipos de conexiones y hay una cuarta en estudio para ser aprobada a mediados de 2007: 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. 5

10 6 CAPÍTULO WIFI El tercero, que está en uso es el estándar IEEE ª 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. El cuarto, y que aún se encuentra en estudio, es el IEEE n que operaría en la banda de 2,4 GHz a una velocidad de 108 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 Estandares WiFi[1, 3] 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. La tabla a continuación muestra las distintas modificaciones del estándar y sus significados: a (nombre Wifi5) El estándar (llamado WiFi 5) admite un ancho de banda superior (el rendimiento total máximo es de 54 Mbps aunque en la práctica es de 30 Mpbs). El estándar a provee ocho canales de radio en la banda de frecuencia de 5 GHz b (nombre Wifi) El estándar es el más utilizado actualmente. Ofrece un rendimiento total máximo de 11 Mpbs (6 Mpbs en la

11 2.2. ESTANDARES WIFI[?,?] 7 práctica) y tiene un alcance de hasta 300 metros en un espacio abierto. Utiliza el rango de frecuencia de 2,4 GHz con tres canales de radio disponibles c (Combinación del y el 802.1d) El estándar combinado c no ofrece ningún interés para el público general. Es solamente una versión modificada del estándar 802.1d que permite combinar el 802.1d con dispositivos compatibles (en el nivel de enlace de datos) d (Internacionalización estándar d) Es un complemento del estándar que está pensado para permitir el uso internacional de las redes locales. Permite que distintos dispositivos intercambien información en rangos de frecuencia según lo que se permite en el país de origen del dispositivo e (Mejora de la calidad del servicio) El estándar e está destinado a mejorar la calidad del servicio en el nivel de la capa de enlace de datos. El objetivo del estándar es definir los requisitos de diferentes paquetes en cuanto al ancho de banda y al retardo de transmisión para permitir mejores transmisiones de audio y vídeo f Itinerancia El f es una recomendación para proveedores de puntos de acceso que permite que los productos sean más compatibles. Utiliza el protocolo IAPP que le permite a un usuario itinerante cambiarse claramente de un punto de acceso a otro mientras está en movimiento sin importar qué marcas de puntos de acceso se usan en la infraestructura de la red. También se conoce a esta propiedad simplemente como itinerancia g El estándar g ofrece un ancho de banda elevado (con un rendimiento total máximo de 54 Mbps pero de 30 Mpbs en la práctica) en el rango de frecuencia de 2,4 GHz. El estándar g es compatible con el estándar anterior, el b, lo que significa que los dispositivos que admiten el estándar g también pueden funcionar con el b h El estándar h tiene por objeto unir el estándar con el estándar europeo (HiperLAN 2, de ahí la h de h) y cumplir

12 8 CAPÍTULO WIFI con las regulaciones europeas relacionadas con el uso de las frecuencias y el rendimiento energético i El estándar i está destinado a mejorar la seguridad en la transferencia de datos (al administrar y distribuir claves, y al implementar el cifrado y la autenticación). Este estándar se basa en el AES (estándar de cifrado avanzado) y puede cifrar transmisiones que se ejecutan en las tecnologías a, b y g Ir El estándar r se elaboró para que pueda usar señales infrarrojas. Este estándar se ha vuelto tecnológicamente obsoleto j El estándar j es para la regulación japonesa lo que el h es para la regulación europea.

13 Capítulo 3 3. Telemedida y Telegestion Las redes de Telemedida se caracterizan por disponer de un alto número de puntos de medida, ubicados a grandes distancias hasta el punto de supervisión (áreas geográficamente dispersas). Estas redes deben permitir el registro de datos en tiempo real Elementos de una red de Telemedida Los principales elementos que componen una red de estas características son a) sensores b) Terminales Remotas c) Sistemas e interfaces de comunicaciones d) Sala de Control e) Software de supervisión. 9

14 10 CAPÍTULO TELEMEDIDA Y TELEGESTION 3.2. Telegestion El término telegestión designa el conjunto de productos basados en las tecnologías informáticas, electrónicas y de telecomunicaciones, que permiten el control a distancia de instalaciones técnicas aisladas o distribuidas geográficamente. Cada día se hace más necesaria la gestión remota de instalaciones, como manera de aumentar su fiabilidad y de minimizar los gastos de mantenimiento. Actualmente se dispone de tecnología electrónica y de sistemas de telecomunicaciones para aplicar masivamente esta innovación a la gestión de la red eléctrica.por esto aparece la Telegestión como una clara herramienta de innovación aplicada al negocio eléctrico que viene acompañada de un nuevo concepto de red inteligente, en donde todos los elementos de la red se comunican entre si para lograr un suministro eléctrico mucho más ecológico y eficiente. Esta herramienta va a permitir a las empresas eléctricas cumplir una serie de objetivos: Controlar y mejorar la calidad del suministro. Reducir el tiempo de ejecución en las tareas de salida a campo. Realizar la detección de forma inmediata de las anomalías en el suministro. Reducir las reclamaciones asociadas a la toma de lectura, ya que se reducirán las estimaciones de consumo por no encontrarse el cliente en su domicilio cuando el lector hace la ruta. Usar la propia red eléctrica para transmisión de datos. Aplicación de nuevas practicas o servicios (como puede ser el prepago). Cambios en los procesos de negocio. Las acciones no se limitan a los espacios de las empresas, la interacción con los clientes se podrá realizar en cualquier momento Ventajas de la Telegestion[4] El Sistema de Telegestión tiene la capacidad de proporcionar las siguientes funcionalidades y ventajas:

15 3.3. VENTAJAS DE LA TELEGESTION[?] 11 Mantener en el medidor los registros de los datos de utilización con unos intervalos previamente configurados y para un período de tiempo establecido. Recoger los datos de utilización del medidor a intervalos de tiempo previamente configurados. Recoger los datos de utilización del medidor cuando se desee. La capacidad de configurar un medidor como desactivado (fuera de servicio y no asignado a una cuenta de cliente), activado y con una capacidad máxima configurada, y en suspensión (fuera de servicio, pero continúa asignado a una cuenta de cliente). Proporcionar una unidad de representación visual (probablemente desde un punto remoto al medidor). Igualmente, podría consistir en una interfaz Web a la cuenta de los clientes. Consolidación y almacenamiento de los datos recibidos de cada cliente, clasificándolos por cliente, por tipo de cliente, por área geográfica, por distribuidor minorista, etc. Proporcionar las estadísticas necesarias para gestionar el servicio (por ejemplo, la demanda total en un área geográfica determinada en función del tiempo y durante un período de tiempo determinado, la demanda total por tipo de cliente en un periodo de tiempo determinado, etc.). Configurar el formato de la información para su transmisión al distribuidor minorista y gestión del archivo de la información. Aplicación del esquema de tarifas adecuado para un determinado cliente, tipo de cliente, distribuidor minorista, etc. y creación de los registros de facturación adecuados para su transmisión al cliente. Aplicación de la funcionalidad anterior en tiempo real, una funcionalidad de gran importancia en el caso de un sistema de prepago. Implantar un protocolo de toma de decisiones basado en una serie de reglas que se aplicará cuando expire el crédito o bien cuando se alcance un límite de crédito, en función del cliente, del tipo de cliente, del distribuidor minorista, etc.

16 12 CAPÍTULO TELEMEDIDA Y TELEGESTION Esta funcionalidad puede incluir la reducción temporal del suministro de energía hasta un valor mínimo social en caso de problemas de crédito o bien mediante la configuración del medidor para ajustarse a las circunstancias de un cliente en particular. En caso de que se produzcan cortes de energía, el medidor puede transmitir un último mensaje que alerta al distribuidor de que se ha producido un fallo en la red. A largo plazo se dispondrá de la capacidad de registrar los equipos remotos en las instalaciones del cliente, leer sus datos de configuración y, si tiene los permisos correspondientes, regular estos equipos. El ejemplo citado anteriormente de elevar la temperatura del aire acondicionado es una aplicación típica. Otra aplicación podría ser la activación de otros equipos (por ejemplo, las lavadoras) cuando se alcanza el umbral de tarifa mínima.

17 Bibliografía [1] [2] [3] [4] redes.pdf. [5] resumenf.pdf. 13