APLICACIÓN MEDIANTE LA CUAL SE REALICE EL CONTROL Y...
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APLICACIÓN MEDIANTE LA CUAL SE REALICE EL CONTROL Y GESTIÓN DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN LED BASADO EN LA TECNOLOGÍA INALÁMBRICA LORA ESTEBAN ALEJANDRO CÁRDENAS LANCHEROS OMAR JOSE CASTRO CASTRO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C 2018
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APLICACIÓN MEDIANTE LA CUAL SE REALICE EL CONTROL Y
GESTIÓN DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN LED BASADO EN
LA TECNOLOGÍA INALÁMBRICA LORA
ESTEBAN ALEJANDRO CÁRDENAS LANCHEROS
OMAR JOSE CASTRO CASTRO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C
2018
2
APLICACIÓN MEDIANTE LA CUAL SE REALICE EL CONTROL Y
GESTIÓN DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN LED BASADO EN
LA TECNOLOGÍA INALÁMBRICA LORA.
ESTEBAN ALEJANDRO CÁRDENAS LANCHEROS
OMAR JOSE CASTRO CASTRO
Trabajo de Grado en modalidad de MONOGRAFÍA para optar por el título de:
Ingeniero electrónico
Director: JULIAN ROLANDO CAMARGO LOPEZ
Coordinador Especialización en Informática y Automática Industrial
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C
2018
3
Índice General
Capítulo 1 ...................................................................................................................................... 9
1. Generalidades ........................................................................................................................ 9
1.1 Antecedentes ....................................................................................................................... 9
1.2 Planteamiento del problema .............................................................................................. 11
1.3 Justificación ...................................................................................................................... 12
1.3.1 Justificación Académica ............................................................................................ 12
1.3.2 Justificación Económica ............................................................................................ 12
1.3.3 Justificación Técnica ................................................................................................. 12
1.4 Objetivos ........................................................................................................................... 13
1.4.1 Objetivo General ....................................................................................................... 13
1.4.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 13
1.5 Alcance y Limitaciones..................................................................................................... 14
1.5.1 Alcance ...................................................................................................................... 14
1.5.2 Limitaciones .............................................................................................................. 14
Capítulo 2 .................................................................................................................................... 15
2. Marco Teórico ..................................................................................................................... 15
2.1 Tecnología Bluetooth ................................................................................................... 15
2.2 Tecnología LoRa .......................................................................................................... 15
2.3 Módulo RN2903 ........................................................................................................... 16
2.3.1 Características ............................................................................................................ 17
2.3.2 Aplicaciones .............................................................................................................. 17
2.4 El Microcontrolador ..................................................................................................... 18
2.5 Internet de las Cosas (IoT, Internet of Things) ............................................................. 18
2.6 Dispositivos Inteligentes (Smart Devices) ................................................................... 19
2.7 Sistemas de control de iluminación inteligente ............................................................ 19
2.8 Sistema operativo Android ........................................................................................... 20
Capítulo 3 .................................................................................................................................... 21
3. Descripción estructural del sistema .................................................................................... 21
3.1 Aplicativo móvil sobre dispositivo inteligente ............................................................. 21
3.2 Tecnologías inalámbricas de corto alcance .................................................................. 22
3.2.1 Versiones Bluetooth .................................................................................................. 23
3.2.2 Dispositivos Bluetooth .............................................................................................. 24
3.3 Manejo y proceso de datos ........................................................................................... 25
3.3.1 Dispositivo Microcontrolador .................................................................................... 25
3.4 Tecnologías inalámbricas de largo alcance .................................................................. 27
4
3.4.1 Comparación entre tecnologías de comunicación inalámbrica de largo alcance ....... 27
3.4.2 Protocolo de comunicación LoRa .............................................................................. 27
3.4.3 Especificaciones técnicas Módulo transceptor RN2903 ............................................ 28
3.4.4 Comandos de configuración del módulo RN2903..................................................... 29
3.5 Sistema de iluminación LED ........................................................................................ 31
3.5.1 Módulo LED .............................................................................................................. 31
3.5.2 Fuente de alimentación LED o Driver ....................................................................... 32
Capítulo 4 .................................................................................................................................... 34
4. Desarrollo e implementación del Proyecto ......................................................................... 34
4.1 Aplicativo móvil ........................................................................................................... 34
4.2 Transmisor .................................................................................................................... 35
4.2.1 Módulo Bluetooth HC05 ........................................................................................... 35
4.2.2 Microcontrolador Atmega 328P sobre placa de circuito impreso ............................. 36
4.2.3 Regulador de tensión sobre placa de circuito impreso. ............................................. 38
4.2.4 Módulo transceptor RN2903 sobre placa de circuito impreso .................................. 39
4.2.5 Implementación del conjunto completo - transmisor. ............................................... 41
4.3 Receptor ........................................................................................................................ 41
4.3.1 Microcontrolador Atmega 328P sobre placa de circuito impreso ............................. 41
4.3.2 Regulador de tensión y amplificador operacional sobre placa de circuito impreso. . 42
4.3.3 Módulo transceptor RN2903 sobre placa de circuito impreso. ................................. 44
4.3.4 Módulo LED de corriente constante PLPG3-Bar-1100-840-280x38 ........................ 44
4.3.5 Fuente de alimentación LED de corriente constante OTi30/120-277/1A0 DIM L
AUX. .................................................................................................................................. 45
4.3.6 Implementación del conjunto completo - Receptor. .................................................. 46
Capítulo 5 .................................................................................................................................... 47
5. Dispositivos finales y guía de uso ....................................................................................... 47
5.1 Conjunto completo transmisor ...................................................................................... 47
5.2 Conjunto completo receptor ......................................................................................... 49
5.3 Aplicativo móvil sobre dispositivo inteligente ............................................................. 51
5.3.1 Instalación de aplicativo móvil en dispositivo inteligente. ........................................ 51
5.3.2 Selección de dispositivos Bluetooth vinculados. ....................................................... 52
5.3.3 Control de luminarias. ............................................................................................... 53
Capítulo 6 .................................................................................................................................... 55
6. Pruebas y resultados ............................................................................................................ 55
6.1 Prueba de transmisión y recepción a distancia en área urbana. .................................... 55
6.1.1 Prueba con Terminal de puerto serie y evaluación del mensaje en la comunicación. 56
6.1.2 Prueba de comunicación conjunto completo transmisor – receptores. ...................... 57
6.2 Prueba de transmisión y recepción a distancia en área de espacio natural. .................. 57
5
6.2.1 Prueba con Terminal de puerto serie y evaluación del mensaje en la comunicación. 58
6.3 Resultado general de la prueba de transmisión y recepción con y sin línea de vista .... 60
Capítulo 7 .................................................................................................................................... 61
7. Conclusiones ....................................................................................................................... 61
Capítulo 8 .................................................................................................................................... 62
8. Trabajos a futuro ................................................................................................................. 62
6
Lista de Figuras Figura 1. Diagrama de bloques RN2903. .................................................................................... 17 Figura 2. Diagrama de bloques del sistema. ................................................................................ 21 Figura 3. Microcontrolador ATmega328/P – Asignación de pines. ............................................ 26 Figura 4. Encapsulado 28-PDIP .................................................................................................. 26 Figura 5. Interfaz de comandos y relación con los componentes internos del módulo transceptor.
..................................................................................................................................................... 30 Figura 6. Módulos LED. [34] ...................................................................................................... 31 Figura 7. Esquema del módulo PLPG3-Bar-1100-840-280x38. ................................................. 31 Figura 8. Driver. [34] .................................................................................................................. 32 Figura 9. Diagrama de flujo de primera pantalla de interacción de aplicativo móvil. ................ 34 Figura 10. Diagrama de flujo de segunda pantalla de interacción de aplicativo móvil. .............. 35 Figura 11. Módulo Bluetooth HC-05 .......................................................................................... 36 Figura 12. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador asociado a la etapa
transmisora. ................................................................................................................................. 36 Figura 13. Placa de circuito impreso para microcontrolador Atmega 328P. ............................... 37 Figura 14. Diseño esquemático de la placa de circuito impreso para microcontrolador Atmega
328P............................................................................................................................................. 37 Figura 15. Regulador de tensión sobre placa de circuito impreso. .............................................. 38 Figura 16. Diseño esquemático regulador de tensión sobre placa de circuito impreso. .............. 39 Figura 17. Placa de circuito impreso para módulo transceptor RN2903. .................................... 39 Figura 18. Diseño esquemático para módulo transceptor RN2903. ............................................ 40 Figura 19. Antena JCG015 .......................................................................................................... 40 Figura 20. Diagrama de bloques de elementos de la etapa transmisora. ..................................... 41 Figura 21. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador asociado a la etapa receptora.
..................................................................................................................................................... 42 Figura 22. Esquema del amplificador operacional en configuración no inversor. ...................... 43 Figura 23. Regulador de tensión y amplificador operacional sobre placa de circuito impreso. .. 43 Figura 24. Diseño esquemático de regulador de tensión y amplificador operacional sobre placa
de circuito impreso. ..................................................................................................................... 44 Figura 25. Esquema del módulo PLPG3-Bar-1100-840-280x38. ............................................... 45 Figura 26. Escala de temperaturas de color ................................................................................. 45 Figura 27. Diagrama de conexiones fuente OTi30/120-277/1A0 DIM L AUX [7]. ................... 46 Figura 28. Diagrama de bloques de elementos involucrados en la etapa receptora. ................... 46 Figura 29, Diagrama circuital del conjunto completo de la etapa transmisora. .......................... 47 Figura 30. Conjunto completo - etapa transmisora - implementación. ....................................... 48 Figura 31, Alimentación del conjunto completo de etapa transmisora. ...................................... 49 Figura 32, Diagrama circuital del conjunto completo de la etapa receptora. .............................. 49 Figura 33, Conjunto completo - etapa receptora - implementación. ........................................... 50 Figura 34, Propiedades del archivo APK. ................................................................................... 51 Figura 35, pasos para instalar el aplicativo. ................................................................................ 52 Figura 36, Primera pantalla de interacción - selección de dispositivos Bluetooth vinculados -
Aplicativo móvil. ......................................................................................................................... 52 Figura 37, Segunda pantalla de interacción - Control de luminarias - Aplicativo móvil. .......... 53 Figura 38. Mapa de un área urbana donde se muestra la distancia máxima en la cual el sistema
logró hacer la comunicación, 4°36'44.4"N 74°07'18.8"W. ......................................................... 55 Figura 39. Interfaz del terminal de transmisión y recepción, donde se muestran los mensajes
asociados a las distancias en las cuales se realizó la comunicación. ........................................... 56 Figura 40. Mapa del área urbana donde se muestra la distancia máxima en la cual el conjunto
completo transmisor - receptores logró hacer la comunicación, 4°36'44.4"N 74°07'18.8"W. .... 57
7
Figura 41. Mapa del Parque Metropolitano Simón Bolívar, distancia entre extremos del Lago. 58 Figura 42. Diferentes distancias en las cuales se realizó la prueba de comunicación entre el nodo
transmisor y el nodo receptor. ..................................................................................................... 58 Figura 43. Interfaz del terminal de transmisión y recepción, donde se muestran los mensajes
asociados a las distancias en las cuales se realizó la comunicación en área de espacio natural. . 59
8
Lista de Tablas Tabla 1. Comparación entre tecnologías inalámbricas de corto alcance. .................................... 22 Tabla 2. Comparación entre tecnologías de comunicación inalámbrica de largo alcance. ......... 27 Tabla 3. Especificaciones generales para el módulo. .................................................................. 28 Tabla 4. Características eléctricas del módulo. ........................................................................... 29 Tabla 5. Consumo de corriente del módulo. ............................................................................... 29 Tabla 6. Potencia de salida y temperatura del módulo. ............................................................... 29 Tabla 7. Tipos de comandos. ....................................................................................................... 29 Tabla 8. Comandos para configurar el módulo LoRa RN2903 Transmisor/Receptor ................ 30 Tabla 9. Información Técnica de módulo PLPG3-Bar-1100-840-280x38. ................................. 31 Tabla 10. Información Técnica de la fuente OTi30/120-277/1A0 DIM L AUX. ....................... 32 Tabla 11. Driver OTi30/120-277/1A0 DIM L AUX. .................................................................. 33 Tabla 12, Elementos dentro de la implementación del conjunto completo de la etapa
transmisora. ................................................................................................................................. 48 Tabla 13, Elementos dentro de la implementación del conjunto completo de la etapa receptora.
..................................................................................................................................................... 51 Tabla 14, Función de cada uno de los controles de la segunda pantalla aplicativo móvil. ......... 54 Tabla 15, Resultado general de prueba de transmisión y recepción, con y sin línea de vista. .... 60
9
Capítulo 1
1. Generalidades
1.1 Antecedentes
Analizando las investigaciones y desarrollos existentes en la literatura, En los últimos
tiempos, gran parte de la investigación en aplicaciones para el control y gestión de
sistemas se basa en tecnologías inalámbricas. Existen multitud de tecnologías de
transmisión inalámbrica de datos, como por ejemplo Wi-Fi, Bluetooth, NFC, ZigBee,
2G/3G/4G, IrDA, LoRaWAN etcétera. Cada una de estas tecnologías es usada con
frecuencia en una gran variedad de aplicaciones de área personal, local o amplia, entre
estas aplicaciones se pueden mencionar aplicaciones de “Monitoreo/Control” como en
control de iluminación y temperatura, “Energia Inteligente” como en agricultura
inteligente y “Ciudades Inteligentes” como en seguridad, internet de las cosas (IoT),
automatización de casas y edificios, automatización industrial. Dependiendo de la
aplicación, los factores como el alcance, velocidad de transferencia, seguridad, potencia
y autonomía dictan cuál es la mejor alternativa a la hora de elegir una red inalámbrica u
otra [1-9]. El uso de la tecnología inalámbrica en el control y monitoreo de espacios de
área local y personal se ha incrementado debido a ventajas, tales como la reducción de
los costos y que son de fácil instalación, requiriendo de algunos cambios en la estética del
espacio para el montaje que no se conseguiría con tecnología cableada[10-12].
La tecnología inalámbrica LoRa está diseñada para crear redes que cubran amplias áreas
a baja potencia y tasa de transferencia (LPWANs Low Power Wide Area Network), sin
necesidad de usar otro tipo de redes como el Wi-Fi o conexiones a internet. LoRa
Alliance™ ha desarrollado un protocolo abierto llamado LoRaWAN™ para asegurar
que todos los dispositivos, servidores y componentes de software en LPWANs sean
interoperables entre sí, y a su vez, proporcionar unas comunicaciones seguras en Internet
of Things (IoT), Machine-to-Machine (M2M), Smart City entre otras. En estos últimos
meses, LoRa ha ganado cierta popularización en redes IoT ya que están siendo
desarrolladas por los operadores de redes inalámbricas. Es decir, una red basada en
la tecnología inalámbrica LoRa puede proporcionar una cobertura de mayor alcance en
comparación con la de las redes celulares existentes. De hecho, muchos operadores de
redes móviles han optado por complementar sus redes celulares e inalámbricas existentes
con LPWAN basado en la tecnología LoRa [1] [13] [14]. LoRa es ideal para ser utilizada
en una amplia variedad de aplicaciones. De hecho, se puede utilizar en cualquier lugar
donde se requiera extraer/enviar información o tener el control remoto de alguna
cosa como pueden ser alarmas, contadores de agua, control de tráfico y, por supuesto,
puntos de luz. Entre algunas de sus aplicaciones más comunes a corto plazo se pueden
10
destacar: Internet de las Cosas (IoT), Agricultura inteligente, Ciudad inteligente, Redes
de sensores, Automatización industrial, Medidores inteligentes, Seguimiento de activos,
Intercambio de información o comunicación en formato de datos entre dos máquinas
remotas.
En la ciudad de Querétaro ubicada en el centro de los Estados Unidos Mexicanos se
promueve la instalación, administración y mantenimiento de una red pública, abierta y
gratuita de Internet de las Cosas en la Ciudad, a partir del soporte tecnológico que ofrecen
las empresas y asociaciones internacionales del área, para tener un medio de conectividad
que apoye la innovación, la creación de negocios y el desarrollo de soluciones a los
problemas que presenta la ciudad. En países como España ya se cuenta con pilotos de
redes LTE-MTC basados en LoRa IoT que serán compatibles con la construcción normal
de redes LTE. También se han implementado sistemas de control inalámbrico de granjas
y se trabaja en el control del alumbrado público por medio de la tecnología LoRa [1]
[3] [13][15-17].
Existen tecnologías “similares”, como pueden ser Sigfox o ZigBee, pero LoRa es una
gran opción si se desea construir redes inalámbricas para aplicaciones como IoT,
medidores inteligentes, Smart City, automatismos entre otras. Actualmente, LoRa está
creciendo exponencialmente teniendo las ventajas principales de un bajo consumo de
energía y un largo alcance, lo que nos permitirá en unos años crear redes inteligentes
con infinidad de aplicaciones.
11
1.2 Planteamiento del problema
El problema general es encontrar cuales son las condiciones que permitan realizar el
control y la gestión inalámbrica de un sistema de iluminación LED en un entorno
determinado. Se tendrán en cuenta aspectos como el encendido, apagado y atenuación,
así mismo, planes de gestión de la iluminación acorde a las necesidades y planes de ahorro
energético.
La tecnología inalámbrica bajo la cual se llevará a cabo la comunicación y el control de
iluminación será LoRa (Long Range, en español: De largo alcance), la cual es una
tecnología que debido a su bajo consumo y largo alcance resulta ser una opción eficiente
e innovadora, tanto la transmisión como recepción de información se desarrollará bajo
está tecnología, adicionalmente, se requiere un aplicativo móvil mediante el cual un
usuario realizará el control y la gestión de la iluminación.
12
1.3 Justificación
1.3.1 Justificación Académica
Al desarrollar esta iniciativa se ponen en práctica diferentes conocimientos asociados a
diferentes temas de la Ingeniería Electrónica. Empezando por el Hardware, la electrónica
análoga, circuitos digitales programables y módulos transceptores conforman la base de
la implementación. Por otra parte, en términos de Software, la programación juega un
papel fundamental, es ella quien permite que el sistema a través de la lógica lleve a cabo
tareas específicas.
1.3.2 Justificación Económica
Un sistema de control de iluminación LED permite establecer encendido, apagado y
atenuación controlada de las luminarias, además valga recalcar que las luminarias tipo
LED son más eficientes que las tradicionales, con esto se consigue ahorro de energía
reflejado finalmente en un retorno de inversión cuando se reemplaza iluminación
tradicional por iluminación LED.
Los sistemas de iluminación LED son una excelente alternativa en el momento de
determinar que fuente de luz usar ya que la vida útil de los diodos LED es de
aproximadamente 40.000 a 80.000 horas con relación a las lámparas de vapor de sodio
de máximo 10.000 horas, de esta forma, esto reduce gastos en temas de reposición y
mantenimiento.
1.3.3 Justificación Técnica
El tener un sistema inalámbrico funcional permite una fácil instalación en un entorno
determinado, ya que evita el uso de cableado. De requerirse implementar una red de
dispositivos, estos no requieren ir conectados físicamente y la amplia distancia a la cual
pueden estar separados permite una gran cobertura en términos de extensión territorial.
13
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo General
Desarrollar una aplicación mediante la cual se realice el control eficiente e inalámbrico
de un sistema de iluminación permitiendo facilidad de uso, implementación de planes
ahorro de energía y gestión de la iluminación en espacios interiores tales como oficinas y
hogares.
1.4.2 Objetivos Específicos
1. Implementar un aplicativo móvil Android que funcione como interfaz de usuario y
que además permita controlar desde un dispositivo inteligente el encendido, apagado y
atenuación de un sistema de iluminación LED.
2. Otorgar al usuario la opción de configurar planes de gestión de la iluminación acorde
a necesidades específicas.
3. Diseñar un sistema de transmisión y recepción de información bajo la tecnología
inalámbrica LoRa con ayuda de la plataforma ARDUINO, la cual consta de un micro
controlador y un entorno de desarrollo (IDE) que permitirá el control y manejo de
señales análogas y digitales del sistema.
14
1.5 Alcance y Limitaciones
1.5.1 Alcance Implementación del control de iluminación inalámbrico basado en tecnología LoRA por
método de Broadcasting hacia uno o más nodos receptores, para este caso se extenderán
dos nodos receptores los cuales estarán asociados cada uno a un sistema de iluminación
LED, se tendrá un transmisor vinculado a un microcontrolador de la plataforma Arduino,
este a su vez recibirá comandos de un dispositivo inteligente el cual contendrá un
aplicativo que cuenta con una interfaz gráfica, permitiendo al usuario controlar el
encendido, apagado y atenuación del sistema de iluminación, además, dará la oportunidad
de configurar planes de ahorro energético y planes de gestión de la iluminación.
1.5.2 Limitaciones
1. A pesar de que se cuenta con módulos inalámbricos de largo alcance en la
comunicación, se debe tener en cuenta aspectos que pueden afectar la comunicación
como la atenuación, perdida en el espacio libre, absorción atmosférica, entre otros.
2. El poder extender más nodos receptores ya que se debe tener en cuenta los costos que
traería el realizar pruebas con mayor cantidad de luminarias o módulos LED.
3. Al ser una tecnología relativamente nueva, no existen muchas aplicaciones realizadas
localmente, esto lleva a no poder realizar comparaciones notables.
15
Capítulo 2
2. Marco Teórico
2.1 Tecnología Bluetooth
Bluetooth es un estándar desarrollado para la comunicación inalámbrica de datos de corto
alcance. Entre sus principales características, pueden nombrarse su robustez, baja
complejidad, bajo consumo y bajo costo. La Tecnología Bluetooth es de pequeña escala
y bajo costo. Esta tecnología opera en la banda de 2.4 GHz (2400 a 2485 GHz) que no
requiere licencia de uso en ningún lugar del mundo. Se guarda una banda de 2 MHz en el
comienzo y 3.5 MHz en el final del rango para cumplir con las regulaciones de todos los
países. Se usa la tecnología de transmisión de espectro disperso, con salto de frecuencia,
señal full-duplex y hasta 1,600 saltos/s. La señal salta entre 79 frecuencias en intervalos
de 1 MHz para tener un alto grado de tolerancia a las interferencias y obtener
comunicaciones robustas. Además, se dispone de comunicaciones punto a punto y
multipunto, donde un dispositivo puede establecer de forma simultánea hasta siete canales
de comunicación de comunicación a la vez con un solo radio de cobertura. Tiene la
capacidad de atravesar paredes y maletines, por lo cual es ideal tanto para el trabajo móvil,
como el trabajo en oficinas. Facilita las comunicaciones entre equipos móviles [18].
Ofrece la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización
de datos entre equipos personales. Los dispositivos que incorporan este protocolo pueden
comunicarse entre sí cuando se encuentran dentro de su alcance. Estos dispositivos se
clasifican como "Clase 1", "Clase 2" o "Clase 3" en referencia a su potencia de
transmisión de 100 mW, 2.5 mW, 1 mW respectivamente, con un alcance de 100, 10 y 1
metros. Existen distintas versiones de Bluetooth, siendo la actual la 4.0. Esta versión tiene
retrocompatibilidad con las versiones anteriores [19].
2.2 Tecnología LoRa
LoRaWAN es una especificación para redes de baja potencia y área amplia (Low Power
Wide Area Network, LPWAN) diseñada específicamente para dispositivos de bajo
consumo de alimentación.
Las principales características del estándar son: las conexiones bidireccionales seguras,
bajo consumo de energía, largo alcance de comunicación, la velocidad de transmisión de
datos es baja al igual que la frecuencia de transmisión y provee servicios de localización.
Permite la interconexión entre objetos inteligentes sin la necesidad de instalaciones
locales complejas y, además, otorga amplia libertad para instalar su propia red. Estas
características se ajustan a los requerimientos del Internet de las Cosas. La arquitectura
de red típica es una red de Redes en Estrella.
16
La primera estrella está formada por los dispositivos finales y las puertas de enlace. La
conexión es inalámbrica de un solo salto, usando tecnología RF LoRa2 o FSK3, formando
así una red en estrella. La segunda estrella está formada por las puertas de enlace y un
servidor de red central. Las puertas de enlace se conectan al servidor de red central por
medio de conexiones IP estándar, formando así una red en estrella. Las puertas de enlaces
son un puente transparente entre los dispositivos finales y el servidor de red central. Las
comunicaciones entre los dispositivos y el servidor de red son generalmente
unidireccionales o bidireccionales, pero el estándar también soporta multidifusión,
permitiendo la distribución de mensajes en masa.
La comunicación entre dispositivos finales y las puertas de enlace se hacen en diferentes
canales de frecuencias y a distintas velocidades de datos. Gracias a la tecnología de
espectro ensanchado, las comunicaciones a distintas velocidades de datos no interfieren
con otras comunicaciones a distinta velocidad. La selección de la velocidad de datos es
un compromiso entre la distancia de alcance, y la duración y consumo de energía del
mensaje. Las velocidades de datos se encuentran en el rango de 0.3 kbps a 50 kbps. Para
maximizar en forma conjunta la duración de la batería de los dispositivos finales y la
capacidad de la red, el servidor central LoRaWAN maneja la velocidad de datos para cada
dispositivo en forma individual, por medio de un esquema adaptativo de velocidad de
datos (ADR, Adaptive Data Rate).
2.3 Módulo RN2903
La serie RN2903 que es un módulo de 915 MHz totalmente certificado, basado en
tecnología inalámbrica LoRa. RN2903 utiliza una modulación de espectro única dentro
de la banda sub-GHz para largo alcance, baja potencia y capacidad de la red alta. El
módulo RN2903 cumple con las especificaciones LoRaWAN de protocolo de clase A.
Integra RF, un controlador de banda base, comando de interfaz de programación de
aplicaciones (API), por lo que es una solución completa de largo alcance. RN2903 tiene
la pila de protocolos completa de LoRaWAN™ en el módem y es fácil de configurar a
través de simples comandos ASCII a través del UART, lo cual reduce considerablemente
el tiempo de desarrollo. RN2903 es certificado por FCC que ahorra significativos costos
de certificación. Además, combina un factor de forma pequeño, de 17.8 x 26.7 mm × 3
mm, con 14 GPIO, proporcionando la flexibilidad para conectar y controlar un gran
número de sensores y actuadores teniendo muy poco espacio. El módem RN2903
resuelve el dilema inalámbrico del programador de elegir entre una gama más extensa y
un menor consumo de energía.
17
Figura 1. Diagrama de bloques RN2903.
Mediante el empleo del RN2903, un desarrollador puede maximizar ahora ambos,
eliminando el costo de los repetidores adicionales y aumentando la duración de la batería.
Con su escalabilidad, comunicación robusta, movilidad y la capacidad para operar en
entornos hostiles al aire libre, el RN2903 es ideal para una amplia gama de diseños de
control y monitoreo inalámbrico de baja velocidad de datos [1] [20] .
2.3.1 Características
• Largo alcance: superior a 15 km
• Bajo consumo de energía por más de 10 años de vida de la batería
• Opera en la banda de 915 MHz
• Protocolo de LoRaWAN clase A integrado
• Interfaz de comandos ASCII sobre UART fácil de usar
• Tensión de alimentación: 2.1 V a 3.6 V
• Rango de temperatura: 40 ºC a 85 ºC
• Potencia de salida ajustable hasta +18.5 dBm
• Alta sensibilidad de recepción reducida hasta -146 dBm
• Actualización de Firmware del dispositivo (DFU) sobre UART
• 14 GPIO para control, estado y ADC
• Excelente inmunidad de interferencia
• Encriptado AES-128 seguro
• Certificado FCC e IC
• Ecológico y cumple con la directiva RoHS
2.3.2 Aplicaciones
• Internet de las cosas (IoT)
• Medición
• Máquina a máquina (M2M)
• Ciudad inteligente
18
• Redes de sensores
• Automatización industrial
• Casa inteligente
2.4 El Microcontrolador
Un microcontrolador es un circuito integrado compacto diseñado para gobernar una
operación específica en un sistema integrado. Un microcontrolador típico incluye un
procesador, memoria y periféricos de entrada / salida (E / S) en un solo chip.
A veces denominado controlador integrado o unidad de microcontrolador (MCU), los
microcontroladores se encuentran en vehículos, robots, máquinas de oficina, dispositivos
médicos, transceptores de radio móviles, máquinas expendedoras y electrodomésticos,
entre otros dispositivos. El procesador de un microcontrolador variará según la
aplicación. Las opciones van desde los procesadores simples de 4 bits, 8 bits o 16 bits
hasta los procesadores más complejos de 32 bits o 64 bits. En términos de memoria, los
microcontroladores pueden usar memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria flash,
EPROM o EEPROM. En general, los microcontroladores están diseñados para ser
fácilmente utilizables sin componentes informáticos adicionales, ya que están diseñados
con suficiente memoria integrada y ofrecen pines para operaciones generales de E / S, de
modo que pueden interactuar directamente con los sensores y otros componentes.
Los microcontroladores se utilizan en múltiples industrias y aplicaciones, incluidas las
implementaciones de hogar y empresa, automatización de edificios, fabricación, robótica,
automoción, iluminación, energía inteligente, automatización industrial, comunicaciones
e internet de las cosas (IoT). Los microcontroladores más simples facilitan el
funcionamiento de los sistemas electromecánicos que se encuentran en artículos de uso
cotidiano, como hornos, refrigeradores, tostadoras, dispositivos móviles, llaveros,
videojuegos, televisores y sistemas de riego de césped. También son comunes en
máquinas de oficina tales como fotocopiadoras, escáneres, fax e impresoras, así como en
medidores inteligentes, cajeros automáticos y sistemas de seguridad [1].
2.5 Internet de las Cosas (IoT, Internet of Things)
Los grandes avances tecnológicos de las últimas décadas en las Tecnologías de la
Información y la Comunicación han permitido que tengamos acceso a medios cada vez
más poderosos como Internet con relativa facilidad y bajo costo.
Actualmente es completamente normal conectarse a Internet diariamente con fines
informativos, sociales, de entretenimiento e incluso laborales y económicos. El uso
potencial que podamos darle a Internet evoluciona con el tiempo: el comercio electrónico,
las redes sociales, los servicios multimedia por internet son ejemplos de cómo fue
creciendo la red. Cada vez es mayor la cantidad y la variedad de dispositivos que pueden
conectarse a internet. Contamos con teléfonos, electrodomésticos, automóviles, relojes,
gafas, etc. y con nuevas tecnologías de conexión de mayor alcance y acceso como las
redes 3G y LTE.
19
Ya no somos solo las personas, sino también estos objetos o cosas cotidianas de nuestro
entorno quienes se conectan a la red para aprovechar sus beneficios. Esta siguiente etapa
de la evolución de internet, en la que la conectividad se extiende a los objetos que nos
rodean es la que se conoce como Internet of Things (IoT) o Internet de las Cosas (IdC).
En términos generales, IoT se refiere a la interconexión en red de objetos cotidianos, que
a menudo están equipados con inteligencia ubicua. IoT aumentará la ubicuidad de Internet
integrando cada objeto mediante interacción a través de sistemas embebidos, lo que
conduce a una alta distribución en Red de dispositivos que se comunican con seres
humanos, así como con otros dispositivos.
Gracias al rápido avance en las tecnologías subyacentes, IoT está abriendo grandes
oportunidades para nuevas aplicaciones que prometen mejorar la calidad de nuestras
vidas. En los últimos años, el IoT ha llamado mucho la atención de investigadores y
profesionales de todo el mundo ya que el Internet de las Cosas puede aplicarse a varios
ambitos pues la cantidad de usos que pueda darse a los productos y servicios depende de
la creatividad e ingenio de los desarrolladores, algunos de los campos de aplicación de
IoT son los hogares, las ciudades, los automotores, la salud, la agricultura, la ganadería,
la industria, el comercio entre otros. [21] [22].
2.6 Dispositivos Inteligentes (Smart Devices)
Son dispositivos dotados de poderosas capacidades de detección, computación y redes
que han surgido últimamente tales como teléfonos, tablets, televisores, relojes, gafas entre
otros. Estos dispositivos incorporan una multitud de comunicaciones inalámbricas como
lo son por ejemplo Bluetooth, WiFi, IrDA, NFC y GPS. Entre sus principales
características se destacan las pantallas táctiles, cámaras, un sistema operativo y una gran
variedad de sensores como Brújula, Giroscopios, acelerómetro, lector de huella entre
otros, y el uso aplicaciones (programas) las cuales permiten al usuario una mayor
interacción con el dispositivo y a los desarrolladores un sin fin de posibles usos para estas
herramientas [21] [23] [24].
2.7 Sistemas de control de iluminación inteligente
Un sistema de control de iluminación inteligente puede reducir el consumo de energía al
controlar automáticamente la intensidad de la iluminación dependiendo de la situación,
del movimiento del usuario o el brillo de los alrededores. Se demuestra que alrededor del
15% del consumo total de energía puede reducirse mediante el control de la luz de acuerdo
con el patrón de vida del usuario. La iluminación artificial representa aproximadamente
el 20% del consumo total de energía del mundo; con la invención del diodo emisor de luz
(LED) se espera que se alivie significativamente el consumo de energía, debido a que este
consume el 50% de energía en comparación con las fuentes de iluminación tradicional
[25-27].
20
2.8 Sistema operativo Android
El sistema operático Android son un conjunto de herramientas de software de código
abierto para dispositivos móviles tales como como teléfonos inteligentes y tabletas con
núcleo basado en Linux que fueron creadas por la Open Handset Alliance y Google.
La idea de Android se resume en “Android-La imaginación es el límite”, fue creado con
la finalidad de permitir a los desarrolladores la creación de aplicaciones móviles que
aprovechen al máximo el uso de todas las herramientas que un dispositivo puede ofrecer.
Fue construido como una arquitectura de capas en la cual cualquier aplicación
desarrollada puede obtener acceso y hacer uso de los módulos, capacidades y
características con las que cuenta el dispositivo [28]. Por ejemplo, una aplicación
instalada en un dispositivo Android puede realizar tareas básicas como realizar llamadas,
enviar mensajes de texto, o tareas más complejas como utilizar la cámara para grabar
videos y tomar fotos o hacer uso de los diferentes módulos con los que cuente el
dispositivo tales como infrarrojo, bluetooth, giroscopio y acelerómetro entre otros,
permitiendo a los desarrolladores la facilidad de crear un sin fin de aplicaciones que
permitan realizar las funciones requeridas por el usuario final.
21
Capítulo 3
3. Descripción estructural del sistema
A continuación, se realizará la descripción de las etapas que conforman el sistema general
a desarrollar, la Figura 2 muestra que componentes conforman el sistema, como están
distribuidos y la relación que presentan entre sí. De ser pertinente se establecerán algunas
comparaciones entre los diferentes componentes y tecnologías que se encuentran
comercialmente para así llegar a una elección que otorgue la solución más conveniente y
apropiada, así mismo, se observará el funcionamiento y características propias de cada
uno de los elementos y su desempeño dentro del sistema.
Figura 2. Diagrama de bloques del sistema.
3.1 Aplicativo móvil sobre dispositivo inteligente
Mediante un aplicativo móvil desarrollado sobre una plataforma Android se realiza el
control y la gestión del sistema, el dispositivo inteligente enviara señales al sub-sistema
transmisor por medio de una tecnología inalámbrica de corto alcance compatible con la
mayoría de dispositivos móviles inteligentes.
22
En la actualidad para desarrollar una aplicación móvil es posible contar con diferentes
enfoques que son las aplicaciones hibridas, nativas y web. Las aplicaciones nativas
utilizan los SDK, software y lenguajes de cada fabricante y son diseñadas e
implementadas específicamente para un sistema operativo, lo cual permite a estas
aplicaciones acceso a todas las funcionalidades y API’s que brinda cada fabricante y a su
vez una mejor experiencia de usuario final, para el sistema operativo Android una
aplicación nativa se desarrolla sobre el lenguaje Java o Kotlin, para IOS sobre Objetive-
C o Swift y para Windows sobre C# o .NET. Las aplicaciones Web utilizan los lenguajes
Web HTML, JavaScript y CSS, es una página web con las características de una
aplicación móvil cuando se accede desde un dispositivo móvil y por esto mismo son
multiplataforma ya que no necesitan instalación y se puede acceder desde cualquier
navegador web, la fluidez y uso de este tipo de aplicaciones está ligado a la conexión a
internet y así mismo tienen acceso limitado a el hardware del dispositivo móvil. Las
aplicaciones hibridas combinan características de una aplicación nativa y una aplicación
Web es decir, se desarrolla sobre lenguajes y tecnologías Web, tienen acceso a ciertas
características de hardware y van instaladas en el dispositivo móvil, estas aplicaciones
solo tienen acceso a algunas características del hardware, son multiplataforma y la
experiencia de usuario es muy web para ser un aplicación instalada [29].
Para la construcción de la aplicación móvil Android desde la cual se realiza el control del
sistema de iluminación LED, se utiliza la herramienta Android Studio que es el entorno
de desarrollo integrado (IDE) oficial de Android para la creación de aplicaciones en el
sistema operativo móvil de Google, por lo anterior ofrece funciones que aumentan la
productividad durante la compilación de apps como los son un emulador rápido,
integración de plantillas de código, GitHub, compatibilidad C++ y NDK, Instant Run para
aplicar cambios mientras la app se ejecuta sin necesidad de compilar un nuevo APK entre
otras [30].
3.2 Tecnologías inalámbricas de corto alcance
Con el fin de definir el protocolo de comunicación bajo el cual se establecerá el enlace
entre el dispositivo móvil inteligente y el sub-sistema transmisor, se tienen dos
tecnologías las cuales se implementan en redes inalámbricas WPAN (Wireless Personal
Area Network – Redes inalámbricas de área personal), las cuales son IrDA (Infrared Data
Association - Asociación de Datos Infra-rojos) y Bluetooth.
El siguiente cuadro comparativo muestra las diferencias entre ambos protocolos:
IrDA Bluetooth
Tecnología de transmisión Pulsos de luz infrarroja -Bajo
consumo de energía
Ondas de Radio (2.4 GigaHertz)
-Bajo consumo de energía
Alcance Máximo 4 metros Máximo 10 metros
Velocidad de transmisión 115 kilobit/Seg hasta 14
Megabits/Seg
1 Megabit/Seg hasta
3Megabit/Seg
Ubicación
Requiere línea directa entre
dispositivos a comunicar
El dispositivo transmisor puede
estar posicionado en cualquier
lado dentro del alcance efectivo
de la tecnología. Tabla 1. Comparación entre tecnologías inalámbricas de corto alcance.
23
Teniendo en cuenta lo anterior, se demuestra que la tecnología inalámbrica Bluetooth
ofrece mayores ventajas con respecto a IrDA, en términos de alcance y ubicación, también
conociendo la compatibilidad que se tiene entre esta tecnología y los dispositivos móviles
actuales. Todo esto se convierte en razón suficiente para elegir esta tecnología dentro de
esta primera etapa.
3.2.1 Versiones Bluetooth
Se realizará una revisión de las diferentes versiones de Bluetooth, sus características y
particularidades, esto con el fin de poder categorizar el dispositivo que se usará dentro de
alguna de estas versiones.
3.2.1.1 Bluetooth v1.0 y v1.0B Los primeros emisores receptores de Bluetooth fueron el v1.0 y v1.0B, los cuales ya están
prácticamente obsoletos, y dieron muchísimos problemas a los fabricantes de teléfonos
para la interactuación entre dispositivos de diferentes compañías, así mismo, tenían el
gran defecto que en cada transmisión de datos se enviaba la dirección privada de
dispositivo Bluetooth, perdiendo así el anonimato que pudiese brindar este tipo de
conexión inalámbrica.
3.2.1.2 Bluetooth v1.1 Usa el estándar IEEE 802.15.1-20022, corrigiendo errores de las versiones anteriores.
Canales no encriptados añadidos y soportados, añadiendo el indicador de la señal o
también denominado (RSSI).
3.2.1.3 Bluetooth v1.2 Compatibilidad con USB 1.1, se mejora la velocidad de conexión, calidad de audio y
transferencia de datos y el control de flujo y modos de retransmisión L2CAP. Se añade la
función de detección de otros dispositivos Bluetooth en el radio de actuación.
Implementación del Host Controller Interface (HCI) y el nuevo protocolo estándar IEEE
802.15.1-2005.
3.2.1.4 Bluetooth v2.0 + EDR La mejora implementada en esta nueva versión hace referencia a la opción del propio
fabricante del dispositivo de incorporar la EDR “Enhanced Data Rate” el cual es un
sistema de transmisión de datos a mayor velocidad. Su transferencia máxima de datos es
de 3Mb/s, aunque su tasa real máxima sea de 2.1Mb/s, está versión mantiene la
compatibilidad con la versión anterior de Bluetooth.
3.2.1.5 Bluetooth v2.1 + EDR Las mejoras de esta nueva versión son sustanciales siempre mirando hacia la seguridad
de datos, así de esta manera se ha añadido Secure Simple Pairing (SSP), lo que permite
un mejor filtrado de nuestros datos y una seguridad superior a la de la versión anterior. A
su vez, se ha mejorado notablemente el consumo de energía.
24
3.2.1.6 Bluetooth v3.0 Este nuevo modelo de la interfaz fue lanzado en abril de 2009, y su mayor logro es el
aumento de la velocidad de transmisión de datos hasta los 24Mb/s., además de incluir una
nueva característica la cual hace uso del Wi-Fi para el envío y recepción de grandes
paquetes de datos, usando el estándar 802.11 de alta velocidad.
3.2.1.7 Bluetooth v4.0 Esta versión es la más reciente de todas, y fue lanzada en el año 2010, combina la
tecnología Bluetooth clásica con la conexión inalámbrica vía Wi-Fi, para dotar a los
dispositivos en los que vienen instalados de una velocidad de emisión y transferencia de
32Mb/s. Esta nueva interfaz de Bluetooth viene incluida en los más avanzados
SmartPhones y dispositivos tecnológicos de última generación.
3.2.2 Dispositivos Bluetooth
3.2.2.1 Módulo Bluetooth RN41 Este módulo es compatible con la versión Bluetooth v2.0 + EDR, a continuación, se
muestran las características que lo componen:
• Tensión de operación: 3.3V.
• Consumo energético:
- Corriente en transmisión: 65 mA.
- Corriente en recepción: 35 mA.
• Alcance de hasta 100 metros con línea de vista
• Rata de transmisión no estándar programable: 1200bps hasta 921Kbps
• Cuenta con puertos UART local y USB.
3.2.2.2 Módulo Bluetooth HC-05 Este módulo es compatible con la versión Bluetooth v2.0 + EDR, a continuación, se
muestran las características de lo componen:
• Tensión de operación: 3.3V a 6V.
• Consumo energético:
- Corriente en transmisión: 50 mA.
- Corriente en recepción: 25 mA.
• Alcance de hasta 18 metros con línea de vista
• Velocidad:
- Asincrónica: 2.1 Mbps
- Sincrónica: 1 Mbps
• Configurable mediante comandos AT.
Para la tarea específica en la cual trabajará el módulo Bluetooth se selecciona el Módulo
HC-05, este presenta un precio accesible, está en la capacidad de generar conexiones
hacia otros dispositivos Bluetooth, así se podrán establecer enlaces punto a punto, lo que
permite a microcontroladores enviar y recibir datos entre sí.
25
Las siguientes son características más detalladas del módulo:
• Puede configurarse como maestro, esclavo, y esclavo con autoconexión
(Loopback) mediante comandos AT
• Frecuencia: 2.4 GHz, banda ISM
• Modulación: GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)
• Antena de PCB incorporada
• Potencia de emisión: ≤ 4 dBm, Clase 2
• Sensibilidad: ≤ -84 dBm a 0.1% BER
• Seguridad: Autenticación y encriptación (Password por defecto: 1234)
• Módulo montado en tarjeta con regulador de tensión y 6 pines suministrando
acceso a VCC, GND, TXD, RXD, KEY y status LED (STATE)
• Dimensiones totales: 1.7 cm x 4 cm aprox.
• Temperatura de operación: -20 ºC a +75 ºC.
3.3 Manejo y proceso de datos
Para el manejo y proceso de datos se hace uso de una unidad la cual se encarga de llevar
a cabo acciones de acuerdo con criterios preestablecidos y condiciones definidas por un
usuario, estos criterios y condiciones se traducen en forma de datos los cuales se
almacenan y procesan a través de un microcontrolador.
3.3.1 Dispositivo Microcontrolador Se piensa en un dispositivo microcontrolador para cumplir las funciones de almacenar y
procesar datos, los cuales deberán ser transmitidos o recibidos como señales de control,
hacia o desde otros dispositivos.
Para el desarrollo de este proyecto se decidió usar el microcontrolador Atmega 328P de
la compañía Atmel Corp adquirida recientemente por la compañía Microchip
Technology, el cual es un microcontrolador de programación sencilla, bajo consumo de
energía y bajo costo, diseñado bajo tecnología CMOS es un microcontrolador AVR de 8
bits basado en la arquitectura RISC, al ejecutar potentes instrucciones en un solo ciclo de
reloj logra rendimientos cercanos a 1MIPS (en inglés - millions of instructions per
second) por MHz. Esto permite al diseñador del sistema optimizar el dispositivo en
función de la potencia frente a la velocidad de procesamiento [31].
A continuación, se muestran algunas características del dispositivo [31]:
• Hasta 23 pines I/O disponibles (Ver Figura 3)
• Memoria de programa flash de 32 kB
• SRAM de 2 kB
• EEPROM de datos de 1 kB
• Velocidad max. de la CPU 20 MIPS
• Oscilador externo hasta 20 MHz
• Tensión de operación 1.8 V a 5.5 V
• ADC de 10 bits y 6 canales
• 2 timers/contadores/comparadores de 8 bits
• 1 timer/contador/comparador/Captura de 16 bits
26
• 6 canales PWM
• USART Full duplex
• SPI
• TWI Two-wire Serial Interface (2-Wire) (I2C compatible)
• Comparador análogo
• Múltiples fuentes de interrupción
• Oscilador de reloj interno
• Brown-out Reset de valor programable
• Power-on Reset
• Modos de bajo consumo
• Soporta 10,000 ciclos de borrado/escritura en memoria flash
• Soporta 100,000 ciclos de borrado/escritura en memoria EEPROM
• Protección de código programable
• Cumple directivas RoHS
• Encapsulado PDIP de 28 pines (Ver Figura 4)
Figura 3. Microcontrolador ATmega328/P – Asignación de pines.
Figura 4. Encapsulado 28-PDIP
27
3.4 Tecnologías inalámbricas de largo alcance
El poder generar enlaces de largo alcance y baja potencia para comunicar dispositivos
entre sí, permite establecer áreas de control y supervisión de cualquier tipo de sistemas a
bajo costo, ya que evita la necesidad de montar redes de cableado o líneas de telefonía y
datos. Las aplicaciones de los enlaces de comunicación inalámbrica de largo alcance son
diversas, entre los que se encuentran, supervisión y mantenimiento, sistemas de medición
a distancia, sistemas de telemetría o redes de sensores.
3.4.1 Comparación entre tecnologías de comunicación
inalámbrica de largo alcance
La Tabla 2 muestra una comparación entre algunas tecnologías de comunicación
inalámbrica de largo alcance, esto con el fin de poder determinar cuál tecnología es la
más adecuada en el contexto que maneja este proyecto.
LoRa ZigBee
Tecnología de transmisión Utiliza una modulación de
espectro ensanchado única
dentro de la banda Sub-GHz
(915/868/430 MHz) para
permitir largo alcance, baja
potencia, y alta capacidad de
red.
A través de 16 canales situados
en el rango de frecuencias de
2.4GHz, 868 y 902-928 MHz,
con un ancho de banda para
cada uno de 5MHz.
Alcance Cobertura en línea de vista hasta
15 Km, y hasta 5 Km sin línea
de vista.
Cobertura en línea de vista 120
m, y hasta 40 m sin línea de
vista.
Velocidad de datos Hasta 300 kilobit/Seg con
modulación FSK y hasta 12.5
kilobit/Seg con modulación
LoRa.
1.2 kilobit/Seg hasta 1
Megabit/Seg
Tensión de operación 2.1V a 3.6 V 2.1V a 3.6V
Consumo corriente de
transmisión
124 mA 45 mA
Consumo corriente en reposo 2.2 µA 3 µA
Modulación LoRa - FSK OQPSK Tabla 2. Comparación entre tecnologías de comunicación inalámbrica de largo alcance.
3.4.2 Protocolo de comunicación LoRa
Una gama de protocolos y tecnologías han surgido para suplir los requerimientos de
comunicación del “Internet de las cosas”, los cuales están basados en redes de área amplia
y baja potencia (LPWAN –Low Power Wide Area Network), la tecnología LoRa está
dirigida a aplicaciones donde los dispositivos finales tienen energía limitada (dispositivos
alimentados por batería), donde el tráfico de datos puede iniciarse al final del dispositivo
(cuando el dispositivo final es un sensor) o por un agente externo que desea establecer
comunicación con el dispositivo final (cuando el dispositivo final es un actuador). El
principio de largo alcance y bajo consumo de energía hace de la tecnología LoRa una
excelente opción para ser parte de implementaciones con sensores inteligentes
incorporados en infraestructuras civiles, así como en aplicaciones industriales [32].
28
3.4.2.1 Diferencia entre LoRa y LoRaWAN
LoRa es un tipo de modulación en radiofrecuencia la cual ofrece alta tolerancia a las
interferencias, alta sensibilidad para recibir datos (-168 dBm), largo alcance y bajo
consumo, mientras que LoRaWAN es un protocolo de red que usa tecnología de
modulación LoRa para comunicar dispositivos, estas redes usan Gateways los cuales se
encargan de recibir y enviar información hacia unos Nodos, estos Nodos son los
dispositivos finales, los cuales reciben y envían información hacia el Gateway.
Para el desarrollo de este proyecto se realizará una comunicación punto a multi – punto,
por ende, no es necesario implementar una red LoRaWAN.
La Universidad Distrital cuenta con unos módulos inalámbricos de comunicación que
trabajan bajo tecnología de modulación LoRa, estos son fabricados por la empresa
Microchip Techhnology bajo la referencia RN2903, se pretende usar tres de estos
módulos transceptores, uno de ellos trabajará como transmisor y los otros dos como
receptores.
3.4.3 Especificaciones técnicas Módulo transceptor
RN2903
Microchip Technology posee la serie RN2903, el cual es un módulo transceptor de 915
MHz que trabaja bajo modulación LoRa, esta modulación de espectro está dentro de la
banda de sub-GHz para otorgar largo alcance y baja potencia.
3.4.3.1 Especificaciones generales
Especificación Descripción
Banda de frecuencia 902.000 MHz a 928.000 MHz
Método de modulación FSK, GFSK y LoRa
Velocidad máxima de transferencia de
datos
300 kbps con modulación FSK, 12500 bps
con modulación LoRa
Interfaz UART
Alcance Hasta 15 km de cobertura suburbana, hasta 5
km de cobertura en zona urbana.
Potencia en transmisión Ajustable hasta máximo +18.5 dBm en la
banda de 915 MHz
Temperatura de operación -40°C a +85°C
Temperatura de almacenamiento -40°C a +115°C
Humedad 10% ~ 90% sin condensación Tabla 3. Especificaciones generales para el módulo.
29
3.4.3.2 Características eléctricas
Parámetro Mín. Típ. Máx. Unidad
Tensión de alimentación 2.1 - 3.6 V
Tensión en VDD respecto a VSS -0.3 - VDD + 0.3 V
Tensión en RESET respecto a VSS 0 - + 11 V
Corriente de enganche de entrada (IIK) (VI < 0 o VI >
VDD)
- - +/- 20 mA
Corriente de enganche de salida (IOK) (VO < 0 o VO >
VDD)
- - +/- 20 mA
Tensión de entrada nivel lógico bajo - - 0.15
xVDD
V
Tensión de entrada nivel lógico alto 0.8
xVDD
- - V
Nivel de entrada RF - - + 10 dBm Tabla 4. Características eléctricas del módulo.
3.4.3.3 Consumo de corriente Modo
Temperatura (°C)
Corriente típica (mA)
VDD = 2.1 V VDD = 3.3 V VDD = 3.6 V
Reposo -40 a + 85 1.8 2.8 3.1
Transmitiendo -40 a + 85 105 121 122 Tabla 5. Consumo de corriente del módulo.
3.4.3.4 Potencia de salida y temperatura Temperatura (°C)
Potencia de salida típica (dBm)
VDD = 2.1 V VDD = 3.3 V VDD = 3.6 V
-40 18.0 18.6 18.7
25 17.1 18.0 18.1
85 16.3 17.3 17.3 Tabla 6. Potencia de salida y temperatura del módulo.
Fuente: Data Sheet - Low-Power Long Range LoRa® Technology Transceiver Module
[20].
3.4.4 Comandos de configuración del módulo RN2903
El módulo Transceptor LoRa RN2903 se configura mediante una interfaz de comandos
ASCII que son recibidos a través de comunicación serial. El módulo utiliza tres tipos de
comandos los cuales están asociados a diferentes funcionalidades del módulo, estas tres
categorías se muestran en la Tabla 7.
Tipo de comando Sentencia Descripción
Sistema <sys> Emite acciones de comportamiento a nivel del sistema, recopila
información de estado sobre la versión de firmware y hardware, o
accede a la memoria EEPROM del usuario del módulo.
Protocolo
LoRaWAN
<mac> Emite comportamientos de comunicación de red del protocolo
LoRaWAN, acciones y comandos de configuración.
Comandos del
tranceptor
<radio> Emite configuraciones específicas de radio, accediendo
directamente y actualizando la configuración del transceptor. Tabla 7. Tipos de comandos.
30
Figura 5. Interfaz de comandos y relación con los componentes internos del módulo transceptor.
Para el desarrollo de este proyecto los módulos Transceptores LoRa RN2903 estarán
configurados con los comandos enunciados en la Tabla 8.
Comando Descripción del comando
radio set mod lora Configura el método de modulación como LoRa
radio set freq 915000000 Ajusta la frecuencia actual de modulación a 915
MHz
radio set pwr 14 Configura la potencia de salida del transceptor a 14
dBm
radio set sf sf12 Configura el factor de propagación a 12 (sf –
spreading factor).
radio set afcbw 125 Configura el ancho de banda de corrección a 125
kHz
radio set rxbw Configura el ancho de banda de la señal cuando se
recibe (250 kHz)
radio set fdev 5000 Configura la desviación de frecuencia durante el
funcionamiento (5000)
radio set prlen 8 Configura la longitud del preámbulo para
transmitir y recibir (8)
radio set crc on Habilita el encabezado CRC para la comunicación
radio set cr 4/8 Configura la velocidad de codificación (4/8)
radio set wdt 0 Configura el tiempo de espera en milisegundos
para el perro guardián WatchDog (0)
radio set sync 12 Configura la palabra de sincronización (12)
radio set bw 250 Configura el ancho de banda de radio para la
operación LoRA (250kHz)
mac pause Este comando hace una pausa en la funcionalidad
de LoRaWAN para permitir respuesta.
radio rx 0 (para el módulo receptor) Habilita modo de recepción continua
radio tx FF (para el receptor) Este comando transmite los datos.
Tabla 8. Comandos para configurar el módulo LoRa RN2903 Transmisor/Receptor
Fuente: RN2903 LoRa Technology Module Command Reference User's Guide [33].
31
3.5 Sistema de iluminación LED
En el momento de entrar a evaluar el sistema de iluminación LED que se va a controlar,
se tendrá en cuenta solo el Módulo LED y su fuente de alimentación, esto debido a que
entrar a revisar detenidamente el producto final como lo es una luminaria terminada
requiere el estudio de varios aspectos.
3.5.1 Módulo LED
Un módulo LED se considera un ensamblaje sin casquillo que incorpora uno o más
paquetes LED en una tarjeta de circuito impreso. El ensamblaje puede ir provisto de
componentes eléctricos, ópticos, mecánicos y térmicos [34].
Figura 6. Módulos LED. [34]
Para el proyecto a desarrollar se dispone del módulo LED PrevaLED Bar de la empresa
OSRAM, las siguientes son sus especificaciones técnicas.
3.5.1.1 Características del módulo LED
Referencia: PLPG3-Bar-1100-840-280x38 Parámetro Típ. Máx. Unidad
Potencia 7.4 17.2 W
Tensión de entrada 34 - V
Corriente de operación 216 430 mA
Flujo luminoso 1210 - lm
Temperatura del color 4000 - K
Eficacia 164 - lm/W
Índice de reproducción cromática 80 - % Tabla 9. Información Técnica de módulo PLPG3-Bar-1100-840-280x38.
Figura 7. Esquema del módulo PLPG3-Bar-1100-840-280x38.
Fuente: Datasheet PrevaLED® Linear, Bar and Area G3 [35].
32
3.5.2 Fuente de alimentación LED o Driver
Es de señalar que los LED trabajan con corriente continua, por tanto, se necesita de un
controlador o fuente de alimentación (driver) que convierta la corriente alterna en
continua y adapte el tensión de salida a las necesidades del LED [34].
Figura 8. Driver. [34]
3.5.2.1 Fuente de alimentación de corriente constante
El driver suministra un valor de corriente constante a su salida, este valor viene
predeterminado o puede ser programado, la corriente fluye a través de los chips LED,
haciendo que el flujo luminoso de todos ellos sea el mismo. La tensión en la salida del
driver vendrá fijada por el número de Chips LED conectados.
Como fuente de alimentación LED se tuvo en cuenta un producto del mismo fabricante
OSRAM, esta fuente debe ser capaz de suplir la carga necesaria que requiere el módulo
LED, adicionalmente, debe cumplir ciertos aspectos como tensión universal de operación
(120-277 VAC), salida de corriente programable, fuente de tensión constante auxiliar
para energizar dispositivos periféricos y como dato importante, esta debe manejar
protocolo de atenuación de 0 – 10 V, este protocolo permite la regulación del flujo
luminoso entre el 0% y el 100% mediante la variación de una señal analógica de tensión
constante entre valores de 1 a 10 V. Su mínimo valor se obtiene, cuando la tensión entre
las borneras de la fuente destinadas a la atenuación es de 1 V o por debajo. En cambio, su
máximo se consigue cuando la señal recibida es igual a 10 V.
3.5.2.2 Características de la fuente de alimentación de corriente constante
Referencia: OTi30/120-277/1A0 DIM L AUX Parámetro Mín Máx. Unidad
Potencia - 30 W
Tensión de entrada 110 270 VAC
Corriente de salida (programable) 350 1050 mA
Tensión de salida 10 55 VDC
Fuente auxiliar Atenuación Rango de atenuación
12V, 20V, 24V 0 - 10 V 10-100%
Tabla 10. Información Técnica de la fuente OTi30/120-277/1A0 DIM L AUX.
33
Tabla 11. Driver OTi30/120-277/1A0 DIM L AUX.
Fuente: Datasheet OPTOTRONIC® LED Power Supply OTi 50W Programmable [36].
34
Capítulo 4
4. Desarrollo e implementación del Proyecto
Como se observó en el capítulo anterior, se tienen diferentes elementos que conforman el
sistema, a continuación, se muestra la manera como se dispondrá de estos elementos y
como estarán vinculados:
4.1 Aplicativo móvil Como se mencionó en el capítulo 3, el aplicativo móvil fue desarrollado en la herramienta
Android Studio, cuenta con dos pantallas con las cuales el usuario final puede interactuar
para realizar las acciones de vinculación de dispositivos Bluetooth y control de
luminarias. La primera pantalla de interacción o Activity se encuentra desarrollada con
un código Java cuya lógica de ejecución se describe en la Figura 9:
Figura 9. Diagrama de flujo de primera pantalla de interacción de aplicativo móvil.
35
La segunda pantalla de interacción o Activity se encuentra desarrollada con un código
Java cuya lógica de ejecución se describe en la Figura 10:
Figura 10. Diagrama de flujo de segunda pantalla de interacción de aplicativo móvil.
4.2 Transmisor
El transmisor está constituido por cuatro sub elementos, los cuales son:
1. Módulo Bluetooth HC05.
2. Microcontrolador Atmega 328P sobre placa de circuito impreso.
3. Regulador de voltajes sobre placa de circuito impreso.
4. Módulo transceptor RN2903 sobre placa de circuito impreso.
4.2.1 Módulo Bluetooth HC05
Este módulo permite realizar la comunicación entre el dispositivo inteligente y el
microcontrolador.
Previamente, el módulo debe ser configurado mediante comandos AT y estará conectado
a la interfaz serie del microcontrolador, en esta configuración se establecen parámetros
como la versión del Firmware, nombre con el cual se identificará el dispositivo, velocidad
de comunicación, número de identificación y el rol que desempeñará ya sea de maestro o
esclavo.
36
Figura 11. Módulo Bluetooth HC-05
Para la implementación del sistema, este módulo se encuentra configurado por medio de
comandos AT en modo o role “esclavo” lo que significa que recibe y ejecuta órdenes
enviadas desde el dispositivo móvil al cual se encuentra enlazado.
4.2.2 Microcontrolador Atmega 328P sobre placa de circuito impreso
El microcontrolador Atmega 328P es la unidad que realiza la operación lógica dentro del
sistema de acuerdo con una configuración establecida e instrucciones enviadas por el
módulo Bluetooth HC05. Este microcontrolador es quien por último envía una serie de
comandos al módulo transceptor RN2903, esto con el fin de configurarlo inicialmente,
para posteriormente dar lugar a la transmisión de información hacia los receptores. Para
tener una idea clara del programa del microcontrolador se tiene el diagrama de flujo
expuesto en la Figura 12:
Figura 12. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador asociado a la etapa transmisora.
37
El microcontrolador deberá ir sobre una placa de circuito impreso (ver Figura 13) en el
cual también habrá lugares para establecer las conexiones pertinentes.
Figura 13. Placa de circuito impreso para microcontrolador Atmega 328P.
Figura 14. Diseño esquemático de la placa de circuito impreso para microcontrolador Atmega 328P.
38
La placa irá alimentada con una tensión de 12 V, dentro de esta habrá una etapa de
regulación de tensión la cual lo lleva de 12 V a 5 V, tensión requerido para polarizar el
microcontrolador. Sobre esta placa también irán los componentes necesarios para
garantizar el correcto funcionamiento del microcontrolador.
Se han configurado dos puertos seriales donde se tendrá la comunicación física tanto con
el Módulo HC05 (pin D5 TXDHC05, pin D6 RXDHC05) como con el transceptor LoRa
RN2903 (pin D10 TxRN2903(6), pin D11 RxRN2903(7)). Los canales de comunicación antes
tendrán que pasar por unas vías reguladoras de tensión las cuales están conformadas por
buffers, con el fin de ajustar los niveles de tensión a 3.3 V.
4.2.3 Regulador de tensión sobre placa de circuito impreso.
El módulo Transceptor RN2903 requiere un nivel de tensión de polarización cercano a
los 3.3 V, adicionalmente, la comunicación que proviene del microcontrolador
corresponde a unos niveles lógicos cercanos a los 5 V, estos deben reducirse, ya que los
módulos RN2903 y HC05 admiten niveles de 3.3 V.
Por esta razón se dispone de un diseño de placa de circuito impreso que lleva consigo un
regulador de 3.3V y un circuito integrado CD4050BE, este es un arreglo de 6 buffers, por
los cuales van a ir los canales de comunicación tanto para el módulo RN2903 como para
el módulo HC05 (ver Figura 15). En esta placa también se aloja el circuito de RESET
para el módulo RN2903.
Figura 15. Regulador de tensión sobre placa de circuito impreso.
39
Figura 16. Diseño esquemático regulador de tensión sobre placa de circuito impreso.
4.2.4 Módulo transceptor RN2903 sobre placa de circuito impreso
El módulo transceptor LoRa RN2903 es pieza fundamental dentro del sistema, este
módulo es el encargado de establecer la comunicación entre dispositivos a distancia. Por
medio de comandos de configuración y ejecución recibidos del microcontrolador, este
módulo realiza la transmisión de información hacia otros módulos receptores, valga
recalcar que entre el canal de comunicación del microcontrolador hacia el módulo
RN2903 debe estar el circuito regulador de tensión, con el fin de que se ajusten los niveles
de tensión a 3.3 V, esta transmisión se realizará de forma fiel acorde al diseño de la placa
de circuito impreso, garantizando un acople de impedancia óptimo de la antena.
Figura 17. Placa de circuito impreso para módulo transceptor RN2903.
40
Figura 18. Diseño esquemático para módulo transceptor RN2903.
El módulo trabajará a una frecuencia de 915 MHz y así mismo dispondrá de una antena
omnidireccional de 915 MHz conectada a la placa por medio de un conector SMA.
Figura 19. Antena JCG015
Características de la antena:
Frecuencia: 880 – 960 MHz.
Ganancia: 2 dBi.
VSWR: <2.5.
Impedancia: 50 Ω.
41
4.2.5 Implementación del conjunto completo - transmisor.
A continuación, la Figura 20 muestra un diagrama de bloques donde aparece cada uno de
los elementos involucrados en la etapa de transmisión:
Figura 20. Diagrama de bloques de elementos de la etapa transmisora.
4.3 Receptor
Se han definido dos nodos receptores para la implementación de este proyecto, cada
receptor está constituido por tres sub elementos, los cuales son:
1. Microcontrolador Atmega 328P sobre placa de circuito impreso.
2. Regulador de voltajes y amplificador operacional sobre placa de circuito
impreso.
3. Módulo transceptor RN2903 sobre placa de circuito impreso.
Adicionalmente, se estableció una carga a controlar, que para este caso es un sistema
fuente de alimentación y Módulo LED, se muestran a continuación:
• Fuente de alimentación LED de corriente constante:
OTi30/120-277/1A0 DIM L AUX.
• Módulo LED de corriente constante:
PLPG3-Bar-1100-840-280x38
4.3.1 Microcontrolador Atmega 328P sobre placa de circuito impreso
El microcontrolador Atmega 328P al igual que en la etapa transmisora se encargará de la
operación lógica, al cumplir un rol diferente dentro de la implementación, tendrá una
programación diferente acorde a sus funciones ligadas al módulo RN2903 receptor (ver
Figura 21), este último es quien recibe de primera parte la información proveniente del
transmisor.
42
Figura 21. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador asociado a la etapa receptora.
La placa de circuito impreso asociada al microcontrolador de cada etapa receptora es la
misma que se usa para el microcontrolador perteneciente a la etapa transmisora.
Se ha configurado un puerto serial donde se tendrá la comunicación física con el
transceptor LoRa RN2903 (pin D10 TxRN2903(6), pin D11 RxRN2903(7)). Los canales de
comunicación antes tendrán que pasar por unas vías reguladoras de tensión las cuales
están conformadas por buffers, con el fin de ajustar los niveles de tensión a 3.3 V, tal y
como se estableció en la etapa transmisora.
4.3.2 Regulador de tensión y amplificador operacional sobre placa de
circuito impreso.
Al igual que en la etapa transmisora, el módulo transceptor RN2903 requiere niveles de
tensión de polarización y de comunicación cercanos a los 3.3 V.
La Figura 23 muestra una placa que posee el mismo circuito de regulación de tensión que
se usó para la etapa transmisora, adicionalmente, se incluirá un amplificador operacional
LM358, el cual tomará una señal analógica de control proveniente del microcontrolador,
la amplificará y la enviará a los terminales de atenuación de la fuente de alimentación
LED de corriente constante, sobre estos terminales debe ser puesto un tensión de entre 0
y 10 V DC, debido a que son estos niveles los que la fuente de alimentación admite para
realizar el encendido, apagado y atenuación del módulo LED.
43
A continuación, la Figura 22 muestra el diseño del amplificador operacional en
configuración no inversor:
Figura 22. Esquema del amplificador operacional en configuración no inversor.
Ganancia, 𝑉0
𝑉𝑖=
𝑅𝑥
𝑅4+ 1 (1)
𝑅7 =𝑅4∗𝑅𝑥
𝑅4+𝑅𝑥 (2)
Al tener una señal analógica proveniente del microcontrolador la cual variará de 0 a 5 V,
esta deberá ser amplificada para generar una variación de 0 a 10 V, con esto, la ganancia
del amplificador operacional deberá ser cercana a 2.
De la ecuación (1) se extraen los valores de R4 y Rx con el fin de obtener una ganancia
cercana a 2.
Teniendo en cuenta valores comerciales de resistencias y asignando R4=1kΩ y Rx=900Ω
se obtiene una ganancia de 1.9. La resistencia Rx=900Ω se obtiene con una resistencia
R5=750Ω sumada a otra R6=150Ω conectadas en serie.
De la ecuación (3) se extrae el valor de R7.
R7=473.68Ω ≈ 470Ω
En esta placa también se aloja el circuito de RESET para el módulo RN2903.
Figura 23. Regulador de tensión y amplificador operacional sobre placa de circuito impreso.
44
Figura 24. Diseño esquemático de regulador de tensión y amplificador operacional sobre placa de circuito impreso.
4.3.3 Módulo transceptor RN2903 sobre placa de circuito impreso.
Al igual que en la etapa transmisora, el módulo transceptor LoRa RN2903 es el encargado
de establecer la comunicación entre dispositivos a distancia, solo que en este caso será la
base del nodo receptor. Irá sobre el mismo diseño de placa de circuito impreso y llevará
consigo la misma antena que se usó en la etapa transmisora.
4.3.4 Módulo LED de corriente constante PLPG3-Bar-1100-840-280x38
El módulo LED es quizá el elemento que marca la diferencia dentro de un sistema de
iluminación. En el momento de seleccionar un módulo LED apropiado, deben tenerse en
cuenta aspectos importantes como flujo luminoso, consumo de potencia eléctrica,
eficacia, temperatura del color (que tan cálida o fría es la percepción del color de la luz
blanca, la unidad en que se expresa es Kelvin), índice de reproducción cromática
(capacidad que tiene la luz para reproducir fielmente los colores de las superficies
iluminadas), entre otros.
Para elegir el módulo LED que hace parte del desarrollo de este proyecto se tuvo en
cuenta un enfoque demostrativo, ya que nuestro sistema de iluminación no pretende cubrir
una necesidad vista desde el diseño arquitectónico de iluminación.
Se seleccionó un módulo LED el cual posee un tamaño de 280 mm x 38 mm, este lleva
consigo 36 chips LED SMD (Surface Mount Device, en español: dispositivo de montaje
en superficie) distribuidos a lo largo de la placa en 3 filas cada una con 12 chips, (ver
Figura 25) este módulo alcanza una salida de flujo luminoso máxima de 2300 lm al hacer
circular por él una corriente de 430 mA, de esta forma genera un consumo de 15 W.
45
Figura 25. Esquema del módulo PLPG3-Bar-1100-840-280x38.
Otra característica que cabe destacar es la temperatura del color, para este módulo LED
está sobre los 4000 Kelvin, a continuación, se muestra como está distribuida esta escala
y dentro de que categoría de blancos estarían los 4000 Kelvin:
• Blanco cálido: 2700 a 3300 Kelvin.
• Banco neutro: 3300 a 5300 Kelvin.
• Blanco frío: >5300 Kelvin.
Figura 26. Escala de temperaturas de color
Teniendo en cuenta lo anterior, la temperatura de color de 4000 Kelvin estaría dentro de
la categoría blanco neutro.
4.3.5 Fuente de alimentación LED de corriente constante OTi30/120-
277/1A0 DIM L AUX.
Al querer controlar un sistema de iluminación LED, en principio se debe pensar en qué
fuente de alimentación debe usarse, está debe satisfacer el consumo de energía que
requiere el Módulo LED como requisito principal. También se debe tener en cuenta que
esta fuente debe manejar protocolo de atenuación analógico de 0 – 10V, para el desarrollo
de este proyecto, se definió que la fuente de alimentación aparte de alimentar el módulo
LED, debía también alimentar los circuitos de control, por ende, se requiere que está tenga
una salida auxiliar de tensión DC de 12V, como la placa de circuito impreso del
microcontrolador Atmega 328P trabaja con 5 V, esta debe llevar un regulador de tensión
de 5 V, así podrá ser alimentada con 12 V sin problema, las demás etapas ya están
reguladas a 3.3 V. El amplificador operacional que llevará los niveles de tensión hasta 10
V requiere ser polarizado con estos 12 V.
Para alimentar el LED se ha configurado la salida de corriente de la fuente a 430 mA.
A continuación, la Figura 27 muestra un diagrama de conexiones de la fuente de
alimentación LED de corriente constante:
46
Figura 27. Diagrama de conexiones fuente OTi30/120-277/1A0 DIM L AUX [7].
Las entradas color negro, blanco y verde irán conectadas a la red eléctrica (Línea, Neutro
y GND (Tierra) respectivamente), entre el terminal de salida Rojo y el primer Azul irá
conectado el módulo LED, el terminal Marrón no se tiene en cuenta para esta aplicación,
entre el terminal de salida Amarillo y el segundo de color Azul estará la salida auxiliar de
tensión de 12V con la cual se alimentarán los circuitos de control, por último, los
terminales Morado y Gris manejarán la señal de atenuación de 0 a 10 V.
4.3.6 Implementación del conjunto completo - Receptor.
A continuación, la Figura 28 muestra un diagrama de bloques donde aparece cada uno de
los elementos involucrados en la etapa de recepción:
Figura 28. Diagrama de bloques de elementos involucrados en la etapa receptora.
47
Capítulo 5
5. Dispositivos finales y guía de uso
De acuerdo con lo revisado en el capítulo anterior, a continuación, se muestran los
dispositivos finales resultantes y el manejo que debe ejercerse sobre cada uno de ellos en
el orden de cómo se debe hacer.
5.1 Conjunto completo transmisor A continuación, la Figura 29 muestra los componentes que conforman el conjunto
completo de la etapa transmisora y como quedaron implementados, esta etapa no requiere
manejo físico, ya que este se hará a través del aplicativo móvil. Tanto la placa del
microcontrolador como la del regulador de tensión cuentan cada una con un pulsador
reset, para reiniciar el microcontrolador y el Módulo LoRa RN2903 respectivamente.
Figura 29, Diagrama circuital del conjunto completo de la etapa transmisora.
El anterior diagrama circuital muestra a detalle la forma como cada una de las placas y
elementos están conectados, esto con el fin de conocer la conexión y en caso de requerir
reemplazar un componente poder hacerlo con facilidad.
+ -12 V
RESET VCC
GND
RESET ATMEGA328P
RESET RN2903
Módulo Bluetooth HC-05
Microcontrolador Atmega 328P
Transceptor RN2903
Regulador de tensión y circuito de Reset
48
Figura 30. Conjunto completo - etapa transmisora - implementación.
No (Figura
30)
Descripción Imagen Alimentación
1 Módulo Bluetooth HC05
5 VDC
2 Microcontrolador
Atmega 328P sobre placa
de circuito impreso
12 VDC
3 Regulador de tensión
sobre placa de circuito
impreso.
5 VDC
4 Módulo transceptor
RN2903 sobre placa de
circuito impreso +
Antena.
3.3 VDC
Tabla 12, Elementos dentro de la implementación del conjunto completo de la etapa transmisora.
Para energizar el conjunto completo de la etapa transmisora debe usarse una fuente de
alimentación de tensión constante de 12 VDC, esta debe conectarse a la Entrada de 12
VDC (ver Figura 31).
49
Figura 31, Alimentación del conjunto completo de etapa transmisora.
Al estar alimentado el conjunto completo de la etapa transmisora queda listo para
funcionar.
5.2 Conjunto completo receptor A continuación, la Figura 32 muestra los componentes que conforman el conjunto
completo de la etapa receptora y como quedaron implementados, esta etapa tampoco
requiere manejo físico, ya que este se hará a través del aplicativo móvil, tanto la placa del
microcontrolador como la del regulador de tensión cuentan cada una con un pulsador
reset, para reiniciar el microcontrolador y el Módulo LoRa RN2903 respectivamente:
Figura 32, Diagrama circuital del conjunto completo de la etapa receptora.
+ -12 V
RESET VCC
GND
RESET ATMEGA328P
RESET RN2903
Microcontrolador Atmega 328P
Transceptor RN2903
Regulador de tensión, circuito de Reset y acondicionamiento de señal 0-10 V
Módulo LED de corriente constante
Fuente de alimentación LED o Driver de corriente constante
50
Figura 33, Conjunto completo - etapa receptora - implementación.
No (Figura
33)
Descripción Imagen Alimentación
1 Microcontrolador
Atmega 328P sobre
placa de circuito
impreso
12 V
2 Regulador de tensión y
amplificador operacional
sobre placa de circuito
impreso.
5 VDC
3 Módulo transceptor
RN2903 sobre placa de
circuito impreso +
Antena.
3.3 VDC
4 Fuente de alimentación
LED de corriente
constante OTi30/120-
277/1A0 DIM L AUX.
120-277 VAC
5 Módulo LED de
corriente constante
PLPG3-Bar-1100-840-
280x38
430 mA, 34
VDC
6 Difusor opal en acrílico.
51
7 Entrada de alimentación 120-277 VAC.
8 Estructura contenedora en madera.
Tabla 13, Elementos dentro de la implementación del conjunto completo de la etapa receptora.
Cada uno de los dos conjuntos completos de la etapa receptora debe conectarse a la
alimentación de la red eléctrica doméstica 120 – 277 VAC, al quedar ya energizados,
estos estarán listos para iniciar el funcionamiento del sistema.
5.3 Aplicativo móvil sobre dispositivo inteligente Mediante el aplicativo móvil se realiza el control del sistema de iluminación, por ende,
se hará una explicación detallada del uso del aplicativo.
5.3.1 Instalación de aplicativo móvil en dispositivo inteligente.
Inicialmente, la aplicación está desarrollada para trabajar sobre sistema operativo
Android, sin embargo, ésta aún no se encuentra en una plataforma de descarga (Google
Play). Para poder instalar el aplicativo en cualquier dispositivo que maneje sistema
operativo Android, primero debe generarse un archivo APK (Android Application
Package, en español, Paquete de Aplicación Android) desde la herramienta Android
Studio. Este archivo APK contiene todo el código de programa y es quien permite realizar
la instalación del aplicativo, las propiedades del archivo pueden verse en la Figura 34.
Figura 34, Propiedades del archivo APK.
El sistema operativo Android es capaz de leer los archivos APK para instalarlos en el
sistema de una forma rápida y sencilla, basta con tener el archivo ya sea transferido o
descargado en el dispositivo inteligente, pero antes de descargarlo, debemos dirigirnos a
Ajustes->Seguridad. En este submenú aparecerá una opción llamada Orígenes
desconocidos, la cual se debe activar. En el momento en que se active, en la pantalla
aparecerá una advertencia informando de los riesgos de instalar aplicaciones que no
procedan de la tienda de Google Play, luego se da “Aceptar”.
52
En este caso, el archivo APK se tiene en el servicio de alojamiento de archivos Google
Drive, de allí se va a descargar el archivo. La Figura 35 muestra los pasos para instalar el
aplicativo, una vez descargado el archivo APK, nos dirigiremos a la carpeta de descargas
de nuestro dispositivo y pulsaremos el archivo APK a instalar. Al hacerlo, preguntará que
si se quiere instalar la aplicación y dirá que no requiere accesos especiales. Una vez se
pulse la opción instalar, la aplicación estará disponible en el sistema para ser utilizada.
Figura 35, pasos para instalar el aplicativo.
5.3.2 Selección de dispositivos Bluetooth vinculados.
Una vez se haya instalado el aplicativo, procedemos a abrirlo y se mostrará la siguiente
pantalla:
Figura 36, Primera pantalla de interacción - selección de dispositivos Bluetooth vinculados - Aplicativo móvil.
IMPORTANTE, los conjuntos completos de la etapa transmisora y las etapas receptoras
deben estar energizados para así dar comienzo al funcionamiento.
53
En esta primera pantalla, primero se debe presionar el botón “DISPOSITIVOS
VINCULADOS”, para que así, aparezcan los dispositivos Bluetooth cercanos y poder
enlazar el módulo HC05 que hace parte del conjunto completo de la etapa transmisora.
El módulo HC05 tiene el siguiente nombre de dispositivo: BT-CASS-HC-05, se debe
seleccionar ese dispositivo. Luego de hacer la selección se generará la segunda pantalla
de interacción.
5.3.3 Control de luminarias.
Figura 37, Segunda pantalla de interacción - Control de luminarias - Aplicativo móvil.
La Tabla 14 muestra la función de cada uno de los controles que contiene la segunda
pantalla:
Control Función
Botón que enciende luminaria 1 al 100%.
Botón que apaga luminaria 1.
Botón que enciende luminaria 2 al 100%.
Botón que apaga luminaria 2.
Switch para definir luminaria como aplicación
de Luz exterior (fachada de la casa), su valor
por defecto es como aplicación de Luz interior.
Barra para definir el nivel de salida lumínica
de luminaria.
Botón que enciende todas las luminarias tanto
de aplicación de Luz interior como exterior.
Botón que apaga todas las luminarias tanto de
aplicación de Luz interior como exterior.
Botón que apaga todas las luminarias de
aplicación interior y enciende todas las de
aplicación exterior al 50%.
54
Botón que apaga todas las luminarias de
aplicación exterior y aquellas de aplicación
interior las ajusta al 50%.
Botón que ajusta el brillo de todas las
luminarias que estén encendidas al 40%.
Desvincula el dispositivo móvil del Módulo
Bluetooth HC05 y vuelve a la primera
pantalla. Tabla 14, Función de cada uno de los controles de la segunda pantalla aplicativo móvil.
55
Capítulo 6
6. Pruebas y resultados
6.1 Prueba de transmisión y recepción a distancia en área urbana.
Con el fin de verificar el alcance de la comunicación entre el nodo transmisor y los nodos
receptores, se realizan pruebas de comunicación en un área urbana, se estableció una
correcta comunicación a lo largo de un radio de 377.54 metros (ver Figura 38), después
de superar esta distancia se presentaron errores en la comunicación. Los nodos receptores
se ubicaron en el punto A (estático), y con el transmisor se realizó el desplazamiento hacia
el punto B.
Figura 38. Mapa de un área urbana donde se muestra la distancia máxima en la cual el sistema logró hacer la
comunicación, 4°36'44.4"N 74°07'18.8"W.
56
6.1.1 Prueba con Terminal de puerto serie y evaluación del mensaje en la
comunicación.
Inicialmente, se realiza la comunicación entre el nodo transmisor y un nodo receptor, esto
con ayuda de un software terminal de puerto serie, la placa de Arduino que soporta el
microcontrolador Atmega 328 la cual se comporta como convertidor Serial – USB y el
módulo LoRa RN2903, tanto el transmisor como el receptor están vinculados a una laptop
con el fin de poder enviar y recibir mensajes a través de la interfaz gráfica del software
terminal de puerto serie.
A continuación, la Figura 39 muestra la interfaz del terminal tanto de transmisión como
de recepción, en esta aparecerán los mensajes asociados a las distancias donde se realizó
la comunicación.
Transmisión Recepción
Figura 39. Interfaz del terminal de transmisión y recepción, donde se muestran los mensajes asociados a las
distancias en las cuales se realizó la comunicación.
Al superar los 377.54 m de distancia de comunicación, se generó un error y no hubo
recepción de los mensajes transmitidos, al reducir la distancia, la comunicación se
reestableció.
57
6.1.2 Prueba de comunicación conjunto completo transmisor – receptores.
Se repitió la misma prueba, pero ahora con el sistema completo, se ubicaron los dos
conjuntos receptores en el punto A (ver Figura 40), el punto A es una casa, allí los
receptores se alimentan a partir de la red eléctrica doméstica. El conjunto transmisor
realiza el desplazamiento hacia el punto B, la alimentación de este se toma de la salida de
12 V que provee la batería de un automóvil, y es en el interior de un automóvil donde se
realiza el desplazamiento.
Figura 40. Mapa del área urbana donde se muestra la distancia máxima en la cual el conjunto completo transmisor -
receptores logró hacer la comunicación, 4°36'44.4"N 74°07'18.8"W.
Se obtienen resultados similares a la prueba con Terminal de puerto serie, se logró un
alcance máximo de 376.80 m, a partir de esta distancia, no se pudo realizar el control de
las luminarias vinculadas a los nodos receptores.
6.2 Prueba de transmisión y recepción a distancia en área
de espacio natural.
Posterior a realizar la prueba de comunicación en un área urbana, se procede a hacerlo en
un área de espacio natural, donde se tienda a mantener la línea de vista entre los nodos
transmisor y receptor. La prueba se realizará en el parque Metropolitano Simón Bolívar
en la ciudad de Bogotá, este lugar dispone de un área de 1.13 kilómetros cuadrados
(alrededor de 113 hectáreas). El Lago que se encuentra al interior del parque tiene una
longitud a lo largo cercana a los 870 m (ver Figura 41), el poder realizar la prueba de
comunicación en estas inmediaciones resultaría muy útil, ya que es el área más despejada
que hay en el parque.
58
Figura 41. Mapa del Parque Metropolitano Simón Bolívar, distancia entre extremos del Lago.
6.2.1 Prueba con Terminal de puerto serie y evaluación del mensaje en la
comunicación.
Se establece la comunicación a lo largo de 5 puntos en ubicaciones cercanas al Lago como
lo muestra la Figura 42, se inició en 436 metros de distancia entre el nodo transmisor y el
nodo receptor, la distancia se iba incrementando hasta finalizar en 1.2 kilómetros, esta
magnitud de distancia es muy cercana a la longitud que tendría la diagonal que atravesaría
el área total del parque.
Figura 42. Diferentes distancias en las cuales se realizó la prueba de comunicación entre el nodo transmisor y el
nodo receptor.
59
A continuación, la Figura 43 muestra la interfaz del terminal tanto de transmisión como
de recepción, en esta aparecerán los mensajes asociados a las distancias donde se realizó
la comunicación.
Transmisión Recepción
Figura 43. Interfaz del terminal de transmisión y recepción, donde se muestran los mensajes asociados a las
distancias en las cuales se realizó la comunicación en área de espacio natural.
A lo largo de los 5 puntos de distancia no se presentaron errores en la comunicación, se
alcanzó una distancia de 1.2 kilómetros con una comunicación exitosa. Mas allá de la
distancia de 1.2 kilómetros, está la periferia del parque y allí la comunicación entraría a
ser parte del área urbana, en ese punto ya la comunicación empieza a presentar errores.
La prueba con los conjuntos completos de transmisión y recepción no se realiza en esta
área de espacio natural ya que resulta complejo el traslado de los elementos y el
suministro de energía para los diferentes circuitos, sin embargo, esta prueba coincidiría
con la prueba con el terminal de puerto serie ya que en el área urbana ambas pruebas
coincidieron.
60
6.3 Resultado general de la prueba de transmisión y recepción con
y sin línea de vista
En la Tabla 15 se muestra el resultado de la comunicación de acuerdo con la distancia en
la cual se realizó prueba de comunicación con y sin línea de vista:
Distancia (m)
Transmisión y recepción
sin línea de vista (área
urbana)
Transmisión y recepción
con línea de vista (área
espacio natural)
100
Comunicación exitosa
Comunicación exitosa
200
300
Comunicación con errores
400
Fallo en la comunicación
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300 Comunicación con errores
Tabla 15, Resultado general de prueba de transmisión y recepción, con y sin línea de vista.
61
Capítulo 7
7. Conclusiones
• Al comprobar distancias de hasta 377m en áreas urbanas (ver Figura 38,Figura 40)
podemos decir que el prototipo cumple la necesidad planteada en el proyecto de
gestionar de forma sencilla un grupo de luminarias LED en espacios interiores
como oficinas y hogares desde un dispositivo móvil.
• Mediante el aplicativo móvil codificado para este prototipo fue posible controlar de
forma inalámbrica y cómoda el encendido y apagado de las luminarias LED, y así
mismo el usuario puede definir fácilmente el espacio o ámbito en el que quiere que
se controle la luminaria ya sea en un espacio interior o exterior y así cambiar el
comportamiento de la luminaria. Todo lo anterior desde una interfaz sencilla y de
fácil utilización (ver Figura 37).
• Es más óptimo para el sistema dejar la mayor parte posible de la lógica de
funcionamiento del lado del aplicativo móvil Android, es decir en la aplicación móvil,
en lugar de implementar códigos complejos con ayuda de Arduino en los
microcontroladores de los módulos transmisor y receptores LoRa, ya que la gran
mayoría los dispositivos inteligentes actuales por más básicos que sean cuentan con
una buena capacidad de procesamiento y sin evidenciarse cambios notables en el
funcionamiento del aplicativo móvil pueden compilar rápidamente el código que se
requiere en este prototipo.
• Mediante los planes de ahorro energético establecidos, el usuario puede reducir el
consumo de energía de las luminarias instaladas ajustando el nivel de brillo de cada
una de ellas de forma independiente según la ocasión y momento del día, también es
posible controlar el comportamiento de todas las luminarias a la vez, dependiendo de
su ubicación si es interior o exterior y el comportamiento de todas las luminarias
encendidas, esto mediante la interfaz gráfica planteada y la comunicación entre los
módulos LoRa (ver Tabla 14).
• Se evidenció un buen comportamiento de los módulos LED utilizados (Ver figura 7)
ya que al reducir el consumo energético entre el 60% y el 100% es muy poco
perceptible el cambio de intensidad de brillo lo cual garantiza altos niveles de brillo
por menos consumo energético, por lo anterior, las estrategias de gestión de la
iluminación planteadas inicialmente en las cuales el botón de ‘Ahorro’ debía bajar el
nivel de consumo al 80% de su capacidad máxima se ajustó según el comportamiento
del sistema para que en su lugar el consumo baje al 40 % en todas las luminarias
encendidas.
62
Capítulo 8
8. Trabajos a futuro
• El aplicativo móvil para el sistema de control inalámbrico de iluminación puede
mejorarse mediante el desarrollo y codificación de una lógica que permita modificar el
comportamiento de cada uno de los planes de ahorro de energía y así mismo establecer
tiempos u horarios en los cuales se active y desactive automáticamente cada uno de estos
planes.
• Aumentar el alcance del sistema de control inalámbrico de iluminación en cuanto a la
comunicación que existe entre el dispositivo móvil y el módulo transmisor como lo puede
ser por ejemplo, mediante la implementación de un Web Service al que se conecte el
módulo transmisor a través de WiFi y al cual se puedan enviar los comandos desde el
dispositivo móvil mediante una conexión a internet desde cualquier lugar.
• Diseñar un prototipo más compacto de control de luminarias que permitan una mayor
facilidad de transporte e instalación de las etapas de recepción y transmisión.
• Implementar en el sistema de control inalámbrico de iluminación uno o más dispositivo
Gateways basados en la tecnología de comunicación inalámbrica LoRaWAN, que
permita aprovechar al máximo las ventajas que ofrece el protocolo de comunicación y
dando mayor alcance al área que se puede cubrir con los módulos usando como
intermediarios de la comunicación estos Gateways.
• Aumentar el número de luminarias LED que se pueden controlar desde el dispositivo
móvil con el fin de crear un sistema control más amplio y robusto.
63
Referencias
[1] M. Rouse, «Internet of things,» [En línea]. Available: http://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/microcontroller. [Último acceso: 06 11 2017].
[2] L. Alliance, «LoRa Alliance TM,» 20 05 2017. [En línea]. Available: https://www.lora-alliance.org/.
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