FACTURACIÓN EN SITIO DE ABONADOS ELÉCTRICOS …
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FACTURACIÓN EN SITIO DE ABONADOS ELÉCTRICOS UTILIZANDO BLUETOOTH Y LA RED CELULAR RODRIGO ALBERTO SALAZAR CALVO UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA PEREIRA 2008
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FACTURACIÓN EN SITIO DE ABONADOS ELÉCTRICOS
UTILIZANDO BLUETOOTH Y LA RED CELULAR
RODRIGO ALBERTO SALAZAR CALVO
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PEREIRA 2008
FACTURACIÓN EN SITIO DE ABONADOS ELÉCTRICOS
UTILIZANDO BLUETOOTH Y LA RED CELULAR
RODRIGO ALBERTO SALAZAR CALVO
Proyecto de grado
Director
Ingeniero Ricardo Linares Ruiz
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PEREIRA 2008
Nota de aceptación:
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
Firma del presidente del jurado
_________________________________
Firma del jurado
_________________________________
Firma del jurado
Pereira, Junio de 2008
A mi Madre Nivia que siempre anheló mi éxito y creyó siempre en mis
capacidades.
A mis hermanas y familiares que creyeron que este proyecto se lograría y me
apoyaron incondicionalmente.
A mi esposa que con su amor y paciencia soportó tantos fines de semana sola
mientras realizaba este trabajo.
Al Ingeniero Ricardo Linares Ruiz, por su constante y denodado apoyo y amistad,
dedicando su tiempo para impulsar este proyecto.
Rodrigo Alberto Salazar Calvo
AGRADECIMIENTOS
Al ingeniero Germán Andrés Holguín por ser un punto de apoyo importante en la
gestación de esta idea.
A la Universidad Tecnológica de Pereira, el Programa de Ingeniería Eléctrica y el
grupo de investigación en Control e Instrumentación por el apoyo institucional
brindado.
A la empresa Servibarras de Medellín por la logística y colaboración con este
trabajo.
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN 12
1 PROCESO DE FACTURACIÓN 13
1.1 PROCESO DE FACTURACIÓN ACTUAL 13
1.1.1 Estado del arte 17
1.2 FACTURACIÓN EN SITIO 19
1.2.1 Metodología de facturación propuesta 19
1.2.2 Bluetooth y la red celular 22
2 HARDWARE DEL MEDIDOR DE ENERGIA 24
2.1 ESQUEMA GENERAL DEL MEDIDOR DE ENERGÍA
ELECTRÓNICO
24
2.1.1 Microcontrolador 25
2.1.2 Circuito integrado medidor de energía 26
2.1.3 Acondicionamiento de voltaje y corriente 28
2.1.4 Módulo Bluetooth 30
2.1.5 Memoria de respaldo 31
2.1.6 Pantalla LCD 33
2.2 DISEÑO DEL PROTOTIPO 33
2.3 HARDWARE ADICIONAL 38
3 SOFTWARE DE LA APLICACIÓN 40
3.1 PROGRAMA DEL MEDIDOR DE ENERGÍA 40
3.1.1 Configuración inicial de dispositivos y módulos internos del
microcontrolador
40
3.1.2 Comunicación SPI 43
3.1.3 Funcionamiento del ADE7756 y cálculo de energía 44
3.1.4 Control y configuración del módulo Bluetooth 47
3.1.5 Manejo de la pantalla LCD 49
3.2 PROGRAMA DEL TELÉFONO CELULAR 50
3.2.1 Manejo de Bluetooth en el teléfono 50
3.2.2 Descripción del programa 52
3.3 PROGRAMA DEL SERVIDOR DE DATOS 55
3.3.1 Hypertext Preprocessor (PHP) 55
3.3.2 Protocolo HTTP 55
3.3.3 Software PHP en el servidor WEB de aplicaciones. 57
3.3.4 Modelo de los datos 57
4 PRUEBAS Y RESULTADOS 60
4.1 PRUEBAS DE COMUNICACIÓN ENTRE EL TELÉFONO Y
EL MEDIDOR
60
4.2 PRUEBAS DE COMUNICACIÓN ENTRE EL TELÉFONO Y
EL SERVIDOR DE DATOS
61
4.3 PRUEBAS DE COMUNICACIÓN ENTRE EL TELÉFONO Y
LA IMPRESORA
62
4.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MEDIDOR DE
ENERGÍA
64
5 CONCLUSIONES 66
BIBLIOGRAFÍA 68
ANEXOS 71
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Descripción asignación de pines 26
Tabla 2. Niveles de señal del canal 1 29
Tabla 3. Configuración módulo Bluetooth 49
Tabla 4. Subrutinas para el manejo de la pantalla LCD 49
Tabla 5. Funciones utilizadas de la API JSR-82 51
Tabla 6. Programas en el Servidor 57
Tabla 7. Clases de Dispositivos Bluetooth 60
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Esquema general del proceso de facturación 13
Figura 2. Esquema de la metodología de facturación propuesta 21
Figura 3. Diagrama de bloques 24
Figura 4. Asignación de pines 25
Figura 5. Diagrama de bloques del ADE7756 27
Figura 6. Acondicionamiento de voltaje 28
Figura 7. Acondicionamiento de corriente con TC (a) y shunt (b) 28
Figura 8. Curva característica y circuito del TC CS60-50L de
Coilcraft
29
Figura 9. Módulo Bluetooth 30
Figura 10. Ajuste de voltajes entre el microcontrolador y el módulo
Bluetooth
31
Figura 11. Diagrama de bloques y distribución de pines de la
memoria serial
32
Figura 12. Pantalla LCD 33
Figura 13. Esquema electrónico del circuito de control 34
Figura 14. Esquema electrónico del circuito de acondicionamiento 35
Figura 15. Capas del circuito impreso de control 36
Figura 16. Capas del circuito impreso de acondicionamiento 37
Figura 17. Aspecto final del prototipo 38
Figura 18. Impresora portátil con conectividad Bluetooth 39
Figura 19. Diagrama de la central de datos 39
Figura 20. Registro de habilitación de Interrupciones 41
Figura 21. Registro de ganancias análogas 42
Figura 22. Diagrama de flujo del programa principal y subrutinas 42
Figura 23. Diagrama de tiempos y formato para enviar (a) o recibir (b) 43
Figura 24. Byte de inicialización para la comunicación SPI 43
Figura 25. Diagrama de Flujo de la subrutina de interrupción del TIM 47
Figura 26. Diagrama de Flujo de la interrupción del SCI 48
Figura 27. Formato de los datos en la comunicación con el teléfono 48
Figura 28. Ventana para validación de operario 52
Figura 29. Ventana para opciones de manejo 53
Figura 30. Ventana para toma manual 53
Figura 31. Esquema cliente-servidor 54
Figura 32. Modelo de datos 58
Figura 33. Página WEB del servidor de datos 62
Figura 34. Aspecto de la factura 62
Figura 35. Ejemplo de un formato de factura preimpreso 63
Figura 36. Prueba con cargas resistivas 64
Figura 37. Resultados con el TOPAS 1000 para una carga resistiva 65
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Programa en ensamblador del microcontrolador 71
Anexo B. Programa en J2ME para el teléfono 87
Anexo C. Programa en PHP para el servidor de datos 103
12
INTRODUCCIÓN
Actualmente las empresas de servicios públicos afrontan usuarios y entes
reguladores cada vez más exigentes, haciéndose necesaria una búsqueda
continua para el mejoramiento y calidad de sus procesos.
Para estas empresas el proceso de facturación sigue siendo una labor bastante
compleja y costosa, que requiere un considerable tiempo de ejecución. Es
precisamente en este punto, donde el avance y consolidación de nuevas
tecnologías aportan una herramienta valiosa para hacerlo más eficiente y
económico.
Tradicionalmente muchas de las empresas de servicios han venido utilizando
terminales portátiles de datos (PDT’s) para registrar de forma manual las lecturas
de cada medidor electromecánico. Luego se hace necesario descargar la
información desde los PDT’s al sistema de cómputo para la liquidación y
finalmente hacer una distribución de la factura a cada cliente.
La facturación en sitio por el contrario, propone un esquema donde el mismo
operario designado por la empresa de energía toma la lectura del medidor, genera
e imprime la factura en el mismo instante y lugar de residencia del cliente,
reduciendo significativamente el tiempo de ejecución y los costos operativos del
proceso de facturación actual.
Aunque se han propuesto diferentes metodologías para facturación in-situ, estas
aun no consideran tener en un solo sistema la lectura no manual de medidores y
el acceso en línea de los datos del cliente. Por lo tanto, la metodología de
facturación en sitio presentada, considera la integración de diferentes tecnologías
tanto de hardware como de software de bajo costo y fácil acceso en nuestro medio
para tal fin.
13
1. PROCESO DE FACTURACIÓN
En términos generales, la facturación es el proceso mediante el cual la empresa
de servicios públicos (energía, agua o gas) cobra a sus clientes o abonados un
servicio particular en un intervalo de tiempo dado.
Figura 1 Esquema general del proceso de facturación
1.1 PROCESO DE FACTURACIÓN ACTUAL
Para el caso particular de la empresa de energía, este proceso se puede resumir
mediante las siguientes etapas:
1. Definición de rutas: Consiste en la programación de lectura para el mes con
la fecha de cada uno de los ciclos. Se asignan grupos y subgrupos de
lectura para cada día, incluyendo lector, fecha, supervisor, cantidad de
lecturas a realizar, barrio y sector.
14
2. Ingreso de información en los Terminales Portátiles de Datos o PDT’s:
Inicialmente se verifica el estado de los Terminales Portátiles de Datos,
luego se ingresan los archivos con los ciclos definidos en el paso anterior.
Finalmente se hace una revisión de la información ingresada para
comprobar posibles errores.
3. Lectura de los medidores de energía en campo: Consiste en el
desplazamiento de operarios de lectura hasta todos y cada uno de los
predios matriculados con el servicio de energía eléctrica, a los predios de
conexión directa y los medidores de energía actuales y demás que se
instalen dentro del área de prestación del servicio; con el fin de registrar la
lectura en los PDT’s. El supervisor debe entregar los PDT’s a los
funcionarios auxiliares de lectura haciendo una inspección del equipo que
incluye: un desbloqueo mediante clave, una verificación de lecturas
anteriores grabadas y una revisión de funcionamiento normal. El operario
de lectura firma la planilla de control de salida de terminales y visita cada
uno de los predios asignados en su ruta, para efectuar la lectura de los
respectivos medidores de forma manual y registrar la información en el
PDT. Finalmente se entrega al usuario un comprobante de lectura que
contiene el registro del medidor al momento de realizar la misma.
4. Descarga de la información acumulada por los PDT’s: Una vez terminada la
lectura en campo, el operario de lectura devuelve el equipo dejando
constancia de la fecha, hora y estado de entrega del mismo. Se transmite la
información desde los terminales hacia los equipos robustos de cómputo en
la unidad de procesamiento, realizando una inspección de todos los
archivos para comprobar que la información está completa, luego se hace
una copia de seguridad de la información de los PDT’s antes de borrarla.
5. Revisión de las lecturas (Crítica de consumos): Luego de alimentar el
sistema central con la información de todas las PDT’s se ejecuta el
programa de crítica de consumos, el cual genera una lista de los predios
que presentan desviaciones significativas en su consumo y que por lo tanto
15
se encuentran fuera de los rangos establecidos por la empresa de energía
de acuerdo con exigencias de la CREG y disposiciones legales vigentes de
sus históricos de consumo. Esta información es analizada por el personal
asignado, quien determina los clientes que ameritan una segunda lectura
en campo.
6. Segunda lectura en campo: Esta etapa del proceso consiste en resolver las
discrepancias encontradas en la primera lectura, de acuerdo a los datos y
clientes suministrados por la crítica de consumos. En ella es necesario
realizar una segunda visita al usuario, verificando las posibles fuentes de
discrepancia ya sea por lectura errónea del medidor, daño del mismo o
alguna anomalía encontrada como conexiones ilegales o cambios en la
carga instalada. Al final se genera un archivo de rectificaciones el cual se
envía al sistema central para su proceso.
7. Procesamiento de la información: Consiste en determinar todos los insumos
de facturación (lecturas, tarifas, recaudo, novedades, entre otros), con el fin
de elaborar la factura de manera adecuada a cada uno de los usuarios.
8. Impresión de facturas: Después de liquidar la facturación se procede a
imprimir las facturas del servicio de energía eléctrica. Las facturas deben
cumplir los requisitos exigidos por la ley y el proceso en general cumplirá
especificaciones con relación a formatos, indicadores de calidad,
especificaciones técnicas, periodicidad de acuerdo a los cronogramas de
actividades, formas de reporte y archivos de información.
9. Distribución de facturas: Consiste en hacer entrega física al cliente de su
correspondiente factura en el predio donde se presta el servicio,
cumpliendo en su totalidad con lo dispuesto por las Leyes 142 y 143 de
1994.
16
En este proceso de facturación actual se pueden identificar varias etapas que
causan de forma general retrasos en la expedición de la factura y pérdidas
económicas a la empresa de energía. Algunas de estas dificultades son:
Inicialización de los PDT’s: Se requiere tiempo para descargar la
información de cada uno de los abonados eléctricos desde la base de datos
de la empresa a los PDT’s, ya que no se cuenta con dicha información en el
momento y sitio de lectura.
Error humano: Debido a la toma manual del consumo de energía y del
número de matrícula, una situación con alta probabilidad de ocurrencia es
que el operario tome una lectura equivocada del consumo de energía o
igualmente grave, que asigne este valor a otro cliente.
Retraso en la lectura de medidores: Ya que se requiere el ingreso de los
operarios de lectura hasta el sitio donde se encuentren los medidores,
puede suceder que el acceso a ciertas viviendas sea difícil o se niegue de
forma intencional, con el objetivo de retrasar todo el proceso por cuestiones
económicas.
Múltiples visitas al cliente: En una situación ideal se requieren dos visitas al
cliente: una para leer los medidores y otra para hacer entrega de la factura,
dado que estas dos etapas se realizan independientemente. En otras
circunstancias se requieren más visitas al cliente, si el procesamiento de los
datos entrega inconsistencias (crítica de lectura) entre las lecturas de
periodos anteriores y el actual.
Retrasos en la entrega de facturas: En caso de presentarse algún error
humano o anomalía en la etapa de lectura de medidores, es muy probable
que se llegue a procesos de reclamo por parte del cliente que retrasan aun
más la entrega de facturas.
17
1.1.1 Estado del arte
El planteamiento para mejorar el proceso de facturación de servicios públicos no
es algo nuevo, sin embargo la implementación real de soluciones solo se ha
venido dando hace algunos años. Esta situación, más que por factores
tecnológicos, muy probablemente ha sido por factores de tipo administrativo y
económico, si se considera que el mejoramiento de este proceso implica costos y
cambios en la empresa y su infraestructura.
Muchas de las nuevas propuestas para la facturación, por lo menos desde un
punto de vista tecnológico, han venido evolucionando necesariamente hacia la
integración de la computación y las telecomunicaciones para tal fin, siendo el
medidor uno de los elementos más importantes en esta transición.
Para el caso particular de los medidores de energía eléctrica, es claro que este
dispositivo no puede seguir siendo el medidor electromecánico que ya se conoce y
que por el contrario debe evolucionar hacia un medidor de tipo electrónico que le
permita adaptarse tecnológicamente a estas nuevas propuestas de facturación.
Así, un nuevo medidor de energía estaría en capacidad de entregar gran cantidad
de información tanto a la empresa de servicios como al abonado eléctrico, a parte
de sólo medir la energía eléctrica consumida [1].
En general los sistemas que permiten poner en red de forma alambrada o
inalámbrica este tipo de medidores “inteligentes” se denominan sistemas de
lectura automática de medidores o sistemas AMR [2]. El propósito de estos
sistemas es controlar y/o monitorear constantemente los medidores desde un
centro de cómputo a través de alguna o varias topologías de red específicas.
En la actualidad dichos sistemas cuentan con un comité IEEE dedicado a
promover la investigación y desarrollo de estándares, guías y prácticas en el
campo de la telemetría para la lectura automática de medidores y manejo de
18
energía [3]. Algunas de estas tecnologías de telemetría pueden estar basadas en
radio frecuencia, comunicación a través de la línea telefónica [4], comunicación a
través de la línea de potencia (PLC), entre otras.
Básicamente, algunas de las tecnologías de telemetría más utilizadas son la
comunicación por línea telefónica y PLC para el caso de redes alambradas. De
otro lado se tienen algunas de las tecnologías inalámbricas más usadas como lo
son Zig-Bee, Bluetooth y GSM.
Muchas soluciones emplean una sola de estas tecnologías o una combinación de
ellas como en [5], donde se propone formar una red inalámbrica Bluetooth entre
medidores de una misma edificación y un colector de datos con un MODEM GSM,
que al final le permite al sistema enviar la información hasta una estación central
ubicada en la empresa de servicios. En [6] emplean sólo Zig Bee para formar una
extensa red inalámbrica de medidores tipo mesh, donde cada dispositivo en la red
sirve de repetidor hasta llegar a la estación base.
Otras soluciones más ambiciosas proponen integrar los medidores de energía
eléctrica, agua y gas en una sola red Bluetooth conectada a un “terminal
inteligente” con comunicación GSM, enviando información al tiempo de los tres
consumos a un centro de manejo [7].
Las soluciones anteriores tienen en común un control total y a distancia de los
medidores, disminuyendo al mínimo el personal requerido para facturación, la
ausencia de una inspección visual del predio del cliente y la distribución puerta a
puerta de facturas.
A nivel nacional, la facturación in-situ, que puede considerarse como un caso
particular de AMR, genera en el predio del cliente la factura al momento de tomar
la lectura del medidor. Un caso particular es la aplicación desarrollada por
19
CODENSA y la Compañía Americana de Multiservicios (CAM), donde proponen
utilizar teléfonos Avantel para la consulta en línea de los clientes, tomando aun de
forma manual la lectura del medidor [8]. Otras empresas han utilizado PDT’s con
información de preliquidación previamente cargada al dispositivo e impresoras
portátiles para entregar la factura de manera inmediata al cliente.
1.2 FACTURACIÓN EN SITIO
La idea detrás de la facturación en sitio es sencilla: generar e imprimir la factura al
momento de realizar la lectura del medidor. Sin embargo una implementación de
esta simple idea, puede resumir varias etapas en una sola o eliminar otras del
proceso de facturación tradicional haciéndolo más eficiente y económico.
1.2.1 Metodología de facturación propuesta
La metodología de facturación en sitio propuesta, se desarrolló considerando
algunos de los siguientes aspectos revisados del proceso de facturación actual:
Inspección visual de los predios: Es necesario contar con un operario que
además de tomar la lectura de medidores y entregar la factura, pueda
reportar en su recorrido anomalías como cambios de carga instalada,
conexiones ilícitas entre otras.
Medidor de energía electrónico e inalámbrico: El nuevo medidor de energía
debe utilizar alguna interfaz de comunicación inalámbrica de bajo costo,
que permita mediante algún otro dispositivo de tipo portátil, obtener de
forma automática el consumo de energía y el número de matrícula de cada
medidor, eliminando la posibilidad de errores en la lectura o error humano.
Reemplazo de los PDT’s: Se requiere un nuevo dispositivo de bajo costo
que a diferencia de los PDT’s permita la conexión inalámbrica con el
medidor y la base de datos de la empresa de servicios, de tal forma que se
tenga información en línea de los clientes para generar e imprimir la factura
20
al momento de la lectura, ayudando a resolver el problema de múltiples
visitas al cliente.
Generación de facturas: Dado que se puede contar también con
información de liquidación en línea para la factura, es necesario disponer de
una impresora portátil con algún tipo de conectividad, preferiblemente
inalámbrica, que permita entregar inmediatamente la factura al cliente y
evitar retrasos en la entrega de las mismas.
INTERNET
RESIDENCIA
EMPRESA DE SERVICIOS
Medidor electrónico
Teléfono celular con Java y Bluetoth
Impresora Portatil
Figura 2 Esquema de la metodología de facturación propuesta
Considerando lo anterior, el proceso de facturación podría reducirse a las
siguientes tres etapas:
1. Lectura del consumo de energía: El operario registra el número de matricula
del medidor y el consumo en kilo-vatios hora, al establecer un enlace
21
inalámbrico Bluetooth entre uno o varios medidores y un teléfono celular
con la misma tecnología.
2. Procesamiento y liquidación: Una vez se tiene el consumo y el número de
matricula del medidor, el teléfono celular establece una conexión con el
servidor de la empresa de energía vía Internet, el cual consulta la base de
datos, procesa los datos y retorna la información necesaria para generar la
factura.
3. Impresión y entrega: Luego con los datos de facturación, el teléfono celular
establece un segundo enlace Bluetooth con una impresora portátil, la cual
imprime la factura que es entregada al cliente.
Puntos a mejorar con la propuesta:
Reducir considerablemente el número de visitas involucradas en los
procesos de lectura y distribución de facturas.
Eliminar la necesidad de ingreso de los funcionarios auxiliares de lectura a
aquellos sitios donde sea difícil o imposible su acceso, mejorando la calidad
del recaudo de la empresa de energía, por cuanto se facturaría un consumo
real y no promedio.
Minimizar la posibilidad de introducir mal algún dígito al momento de
realizar la lectura, ya que este proceso sería totalmente automático.
No requerir dedicación de personal para la transmisión de la información a
la Central de Proceso.
Reducir el volumen de los listados de crítica de lectura por eliminarse los
errores de digitación.
Hacer menos visitas en la segunda lectura en campo.
Eliminar la necesidad de organizar las facturas antes de su distribución.
Minimizar la entrega errónea de facturas.
Reducir significativamente la posibilidad de fraude pues todo el
procesamiento de la información es digital e inalámbrico.
22
1.2.2 Bluetooth y la red celular
Bluetooth es un protocolo de comunicación inalámbrica de corto alcance y bajo
consumo de potencia pensado inicialmente para el reemplazo de cables entre un
teléfono celular y sus accesorios [9]. Sin embargo, su uso se ha extendido cada
vez más a otros campos donde se aprovecha su alta inmunidad al ruido y
estabilidad del enlace entre otras características. A nivel industrial por ejemplo, la
compañía ABB ha incluido esta tecnología en sus controladores Advant y sus
unidades de disparo para interruptores automáticos de la serie Emax. [10]
Actualmente, dicha tecnología se encuentra en un gran número de dispositivos
portátiles como teléfonos celulares y computadores de mano, haciéndola
comercialmente disponible y de bajo costo si se compara con otras tecnologías
basadas en radio frecuencia como Wi-Fi, Zig-Bee entre otras.
Incluir la tecnología Bluetooth en el medidor le permite al operario tomar la lectura
del mismo en lugares donde su acceso visual sería difícil. En este caso y aunque
muy difundida, no es conveniente utilizar infrarrojo como interfaz de comunicación,
dado su requerimiento de línea de vista entre dispositivos y corto alcance.
Adicionalmente, Bluetooth permite formar redes de hasta siete medidores los
cuales pueden ser interrogados simultáneamente disminuyendo aun más el tiempo
de lectura por operario.
La selección del teléfono celular como reemplazo del PDT, se debe a las
funciones adicionales que actualmente traen estos dispositivos y la capacidad de
la red celular para transferir datos. Algunas de las ventajas que resultan de
utilizarlos son:
Herramientas de programación completamente gratuitas que ayudan a su
bajo costo.
23
Su uso evita la necesidad de dotar a cada medidor con un MODEM GSM
disminuyendo el costo del mismo.
No se requiere un teléfono muy especializado y costoso, dado que el
manejo y procesamiento grueso de la información se hace en el servidor.
Esta unión entre Bluetooth y la telefonía celular permite garantizar el acceso
en línea de los datos del abonado eléctrico al momento de la lectura.
24
2. HARDWARE DEL MEDIDOR DE ENERGÍA
De forma global y desde el punto de vista de hardware, el sistema está compuesto
por: un medidor de energía electrónico, un teléfono celular, una impresora portátil
y un servidor con dirección IP pública.
Por no existir en el mercado un medidor de energía que se ajuste a los
requerimientos de la metodología de facturación propuesta, fue necesario diseñar
un prototipo con ciertas características funcionales. Los demás componentes por
ser estándares del mercado no son tratados en detalle.
2.1 ESQUEMA GENERAL DEL MEDIDOR DE ENERGÍA ELECTRÓNICO
La función básica de este dispositivo es medir la energía eléctrica a partir de las
señales de voltaje y corriente, mantener un registro, visualizar y enviar dicho valor
cuando sea solicitado por el operario de la empresa de energía.
Figura 3 Diagrama de bloques
25
2.1.1 Microcontrolador
Integra y coordina el funcionamiento de los demás elementos del medidor. Para tal
propósito, se decidió utilizar el MC68HC908GP32 de la familia HC08 de Freescale
con arquitectura Von Newman y CPU de 8 bits. Algunas de las características
generales aprovechadas en la aplicación son:
Frecuencia de bus interna máxima 8 MHz a 5 V o 4 MHz a 3 V
32 kilobytes de memoria flash para programa
512 bytes de memoria RAM para datos
29 líneas E/S de propósito general
Interfaz periférica serial (SPI)
Interfaz de comunicación serial (SCI)
2 temporizadores de 16 bits con dos canales cada uno para entradas de
captura, salidas de comparación y PWM.
Figura 4 Asignación de pines
26
PIN FUNCIÓN DESCRIPCIÓN
7 MODBT_RTS
8 MODBT_CTS
12 MODBT_RX
13 MODBT_TX
Pines destinados a la comunicación serial asíncrona (SCI) con el modulo Bluetooth.
16 ADE_DOUT
17 ADE_DIN
18 ADE_SCLK
Pines destinados para la comunicación serial síncrona (SPI) con el C.I medidor de energía.
22 ADE_IRQ Pin para la solicitud de interrupción del C.I medidor de energía.
23 LCD_RD
24 LCD_E Pines para el bus de control de la pantalla LCD.
24 LCD_D4
78 LCD_D5
29 LDC_D6
30 LDC_D7
Pines para el bus de datos de la pantalla LCD.
33 ADE_CS Pin para la habilitar la comunicación SPI con el C.I medidor de energía.
34 EEPROM_SCL
35 EEPROM_SDA
Pines para la comunicación I2C con la memoria EEPROM.
36 ADE_RESET Pin de reinicio para el C.I medidor de energía.
37 ADE_SAG Pin para indicar un estado de bajo voltaje.
Tabla 1 descripción asignación de pines
2.1.2 Circuito integrado medidor de energía
Considerando que la tarea de medición de energía es una de las más importantes,
se seleccionó el circuito integrado ADE7756N de Analog Devices especialmente
diseñado para esta función, el cual contiene todos los elementos internos
necesarios para digitalizar y muestrear apropiadamente las señales de voltaje y
corriente previamente acondicionadas. Entre sus características más importantes
están:
27
Dos canales análogos de entrada para medición de voltaje (CH2) y
corriente (CH1). Cada uno con un amplificador de ganancia programable
(PGA).
Dos convertidores análogo/digital sigma delta de segundo orden con
referencia de tensión de 2,5 V ± 8%.
Alimentación a partir de una fuente sencilla de +5V y bajo consumo de
potencia (15mW, típico).
Amplio rango de temperaturas (–40ºC hasta +85ºC).
Frecuencias de reloj de 1MHz a 10MHz.
Acceso mediante registros a las formas de onda de voltaje y corriente.
Detección de baja tensión o ausencias de la misma durante lapsos
predefinidos de tiempo, con umbral de voltaje programable.
Calibración digital de potencia, fase y deriva (offset de entrada).
Salida de pulsos sincronizada con los cruces por cero del voltaje de línea,
que puede ser utilizada para extraer información de tiempo o frecuencia y
sincronizar dispositivos externos.
Salida de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la potencia activa.
Interfaz de comunicación serial síncrona (SPI), para manejo desde un
microcontrolador.
Figura 5 Diagrama de bloques del ADE7756
28
2.1.3 Acondicionamiento de voltaje y corriente
Dado que el ADE7756N trabaja en sus canales análogos con un voltaje máximo
de ±1 V, es necesario diseñar el acondicionamiento de señal tal que, el voltaje
nominal pueda ser de 120VRMS y la corriente máxima de 50ARMS considerando una
carga típica residencial. El aislamiento entre estas señales y los demás elementos
del medidor de energía electrónico, es suministrado por el mismo ADE7756N, al
manejar tierras independientes para las entradas análogas (AGND) y los circuitos
digitales internos (DGND).
Para el acondicionamiento de voltaje se utiliza el divisor de tensión como se
muestra en la figura 6
Figura 6 Acondicionamiento de voltaje
Teniendo en cuenta una ganancia unitaria para el canal 2, el cálculo de la
resistencia de atenuación estaría dada por ! " 10001000V2R RMSX #$$% .
En el caso del acondicionamiento de corriente, el fabricante sugiere dos posibles
conexiones dependiendo del transductor a utilizar.
Figura 7 Acondicionamiento de corriente con TC (a) y shunt (b)
29
En la conexión con transformador de corriente (TC), puede verse que el voltaje
detectado por el canal 1 es proporcional a la corriente de la carga y está dado por
las resistencias RB y la relación de transformación del TC.
Con el fin de calcular el valor de RB, primero se debe establecer el nivel de plena
escala (FS) y el factor de ganancia del canal 1 según la siguiente tabla1
Tabla 2 Niveles de señal del canal 1
Para esta situación particular se seleccionó un nivel de plena escala de 0,25V y
una ganancia de 2, suministrando así un amplio margen de entrada al conversor
A/D de este canal en caso de picos o transitorios de corriente más allá de los 50A.
Con este valor y la información del transformador de corriente, el cálculo de RB
estaría dado por 1,36mA
2VR CH1
B % .
Figura 8 Curva característica y circuito del TC CS60-50L de Coilcraft 1 ADE7756N Active energy metering IC with serial interface. rev 0, 2001. p32
30
2.1.4 Módulo Bluetooth
Para suministrar al medidor una conexión inalámbrica se utilizó el módulo
Bluetooth BR-SC30A de Blueradios, el cual cuenta con todo el hardware y
firmware interno para implementar el protocolo, requiriendo además muy pocos
componentes externos para su conexión y funcionamiento.
Figura 9 Módulo Bluetooth
Algunas características generales de este módulo son:
Cumple con versión 1.2 de la especificación Bluetooth.
Dispositivo Clase 1 (alcance máximo 100 m).
Antena de montaje superficial incluida.
Encapsulado tipo DIP.
Voltaje de operación 3.3V± 0.1V .
Consumo de corriente máximo 120mA.
Interfaces: UART para el manejo de datos con velocidades de
comunicación de 1200 – 921.6kbps y modulación por código de pulso
(PCM) para la conexión de un CODEC de audio.
Perfiles: puerto serial (SPP), redes de marcado (DUN), redes de área local
(LAN) y acceso genérico (GAP).
Protocolos middleware: descubrimiento de servicio (SDP), puerto serial de
radiofrecuencia (RFCOMM).
Comandos AT para fácil acceso a la pila de protocolo.
31
Aunque el microcontrolador y el módulo Bluetooth cuentan con la misma interfaz
de comunicación serial, su conexión no puede hacerse directamente, debido a que
ambos dispositivos operan a niveles de voltaje diferentes. Por lo cual es necesario
adicionar un circuito que garantice la compatibilidad de voltajes y permita realizar
la comunicación de forma adecuada.
En la figura 10 se propone un circuito basado en buffers con salida colector
abierto. Dependiendo de la línea a conectar en la interfaz serial se utiliza el circuito
de la parte a o el de la parte b.
Figura 10 Ajuste de voltajes entre el microcontrolador y el módulo Bluetooth
2.1.5 Memoria de respaldo
Se busca que al existir un corte del fluido eléctrico la medida de energía actual no
se pierda, por lo tanto es necesario adicionar al medidor una memoria de respaldo
que permita almacenar este valor cada vez que exista un cambio en la medida.
Aunque esta es la función principal de la memoria de respaldo, es igualmente
importante almacenar alguna información de configuración y seguridad para el
medidor.
32
Configuración: Se almacenan las ganancias de ambos canales del
ADE7756N y el nivel de plena escala del canal 1 con el propósito de hacer
cambios en el acondicionamiento de voltaje y corriente, sin necesidad de
modificar el programa del microcontrolador y un valor adicional de ajuste
sobre la medida de energía para el proceso de calibración del medidor.
Seguridad: Tanto el microcontrolador como la memoria de respaldo deben
contener el número de matricula del medidor fabricado. Así, el programa del
microcontrolador podrá verificar que la memoria conectada no ha sido
alterada de alguna forma.
Dado que esta información es de unos cuantos bytes se seleccionó una memoria
de baja capacidad y con comunicación I2C1 disminuyendo la cantidad de
conexiones con el microcontrolador. Las siguientes son algunas de características
de la memoria serial EEPROM 24LC02 de Microchip:
Interfaz serial I2C
1.000.000 de ciclos de escritura
Capacidad de almacenamiento 2KB (256x8)
Encapsulado DIP de 8 pines
Rango de voltajes de operación 2.5 – 5.5 v
Consumo de corriente en modo activo 1 mA.
Figura 11 Diagrama de bloques y distribución de pines de la memoria serial
1 Microcontroladores Motorota-Freescale. Alfaomega, 2007. p323
33
2.1.6 Pantalla LCD
Para mostrar el valor actual de energía y algunos mensajes de estado se utiliza
una pantalla LCD estándar de 2x16 con Backlight.
Figura 12 Pantalla LCD
2.2 DISEÑO DEL PROTOTIPO
El propósito de este prototipo es mostrar el funcionamiento básico del medidor de
energía electrónico de acuerdo a la metodología de facturación en sitio propuesta
y no un dispositivo final con todas las pruebas, seguridad, normas y certificado de
calibración para ser instalado al cliente. Sin embargo fue necesario para su diseño
considerar lo siguiente:
Diseño en circuito impreso doble capa.
Posibles ajustes al circuito de acondicionamiento de voltaje y corriente. Por
lo cual se diseñaron circuitos impresos independientes para la parte de
control y acondicionamiento de señal.
Fuente de poder conmutada para bajo consumo y buena estabilidad del
voltaje de salida ante transitorios de la red, garantizando un apropiado
funcionamiento del medidor.
Espacio en el circuito impreso de control libre de planos de tierra y
componentes externos para la antena del módulo Bluetooth.
Salida de pulsos del ADE7756N por conector externo para propósitos de
calibración.
34
Figura 13 Esquema electrónico del circuito de control
35
Figura 14 Esquema electrónico del circuito de acondicionamiento
36
Figura 15 Capas del circuito impreso de control
37
Figura 16 Capas del circuito impreso de acondicionamiento
Las características físicas y operativas finales del prototipo son:
Dimensiones:12.3 x 6.8 cm (control)
12.3 x 5.3 cm (acondicionamiento)
Voltaje de operación (fuente conmutada): 120V-220V
Consumo máximo de corriente: 30mA.
Tipo: Medidor de energía activa monofásico.
Operación máxima (acondicionamiento de señal): 120V y 50A.
Resolución sobre medida de energía: 0.1 KW-h.
Modos de operación: Normal y calibración.
Conectividad: Bluetooth, máximo 100m.
38
Figura 17 Aspecto final del prototipo
2.3. HARDWARE ADICIONAL
Son aquellos dispositivos de tipo comercial, que a parte del medidor de energía
electrónico, son necesarios para el funcionamiento de todo el sistema. Algunos ya
son propiedad de la empresa de energía y pueden ser utilizados sin
inconvenientes en la aplicación.
Teléfono celular
Sin importar el fabricante se deben utilizar teléfonos con Bluetooth para la
comunicación con el medidor y soporte de JAVA para la programación de la
aplicación como requerimientos mínimos. Otras características adicionales no son
necesarias para su funcionamiento en el sistema.
39
Impresora portátil
La impresora puede ser alguna comercialmente disponible preferiblemente con
Bluetooth, para su fácil conexión al teléfono celular. Adicionalmente, su tamaño y
demás características de impresión deben estar de acuerdo con los
requerimientos exigidos por la empresa de servicios en cuanto al aspecto final de
la factura.
Figura 18 Impresora portátil con conectividad Bluetooth
Servidor de Aplicaciones
Se puede utilizar una infraestructura normal de red, pero por seguridad se sugiere
una red perimetral con muro de fuego y un servidor web de buena capacidad de
proceso para soportar una cantidad importante de transacciones. El servidor
puede ser accedido por el teléfono vía cable MODEM o router, según la estructura
de red con la cual cuente la empresa de energía.
Figura 19 Diagrama de la central de datos
40
3 SOFTWARE DE LA APLICACIÓN
Debido a las diferentes tecnologías y lenguajes de programación de los
dispositivos que componen el sistema, es necesario integrarlos de tal forma que
logren comunicarse y garantizar el funcionamiento de la metodología de
facturación en sitio propuesta. Los componentes que requieren este desarrollo de
software son: el medidor de energía, el teléfono celular y el servidor de datos.
3.1 PROGRAMA DEL MEDIDOR DE ENERGÍA
El programa del microcontrolador fue desarrollado en lenguaje ensamblador y
realiza las siguientes tareas básicas:
Configuración inicial de dispositivos y módulos internos del
microcontrolador.
Captura de interrupción y cálculo de energía.
Manejo y validación de la memoria de respaldo.
Configuración y manejo del modulo Bluetooth para la comunicación con el
teléfono celular.
3.1.1. Configuración inicial de dispositivos y módulos internos del
microcontrolador.
En esta parte el programa configura los puertos de propósito general del
microcontrolador y algunos módulos que son utilizados para manejar los diferentes
componentes del medidor de energía electrónico como lo son: la interfaz periférica
serial (SPI), la interfaz de comunicación serial (SCI), y el temporizador (TIM).
Comunicación serial: Se inicializa de acuerdo a los parámetros por defecto
del módulo Bluetooth; 9600 baudios, 8 bits de datos, 1 bit de paro, sin
paridad y control de flujo por hardware.
41
Visualización de mensajes: Dentro de la subrutina de visualización se
inicializan las variables para el almacenamiento de la lectura del medidor.
Leyendo para ello la memoria de respaldo y luego mostrando su valor en la
pantalla LCD. Adicionalmente se compara el número de matrícula del
medidor que se encuentra en el microcontrolador con el valor de la memoria
de respaldo, suministrando cierto nivel de seguridad al medidor.
Configuración del temporizador: Este módulo se utiliza para detectar los
flancos de bajada generados por el pin IRQ del ADE7756 ante cada llenado
del registro de energía activa…veáse numeral 3.1.3... Por lo cual se activa
la interrupción por entrada de captura del canal 0 del TIM.
Configuración del ADE7756: Dado que se utiliza la interfaz periférica serial,
es necesario seleccionar el microcontrolador como dispositivo maestro y el
ADE7756 como dispositivo esclavo. Luego, se da un tiempo de espera de
500ms antes de enviar cualquier comando de configuración al ADE7756.
Los parámetros a configurar son: activar la interrupción (IRQ) por llenado
del registro de energía activa, lo cual se logra activando en ‘1’ el bit 7 del
registro de habilitación de interrupciones (Active Energy Overflow) que se
muestra en la figura 20.
Figura 20 Registro de habilitación de Interrupciones
Se deben configurar también las ganancias de ambos canales y el valor de
plena escala del canal 1, según las consideraciones de diseño tomadas
para el acondicionamiento de señal del medidor…veáse el numeral 2.1.3...
42
Esto se hace mediante el registro de ganancias análogas (Analog Gain
Register) mostrado en la figura 21.
Figura 21 Registro de ganancias análogas
Una vez se hace el llamado a las subrutinas: visualización de mensajes y
configuración ADE7756, el programa principal se queda en espera de las
interrupciones por llenado del registro de energía activa y módulo Bluetooth.
Figura 22 Diagrama de flujo del programa principal y subrutinas
43
3.1.2 Comunicación SPI
A diferencia de la comunicación I2C1, la interfaz periférica serial tiene un número
mayor de líneas debido a que utiliza una señal CS para habilitar la comunicación
con algún dispositivo en la red y señales independientes para enviar y recibir
datos. Para garantizar el adecuado intercambio de información entre el
microcontrolador y el ADE7756, se deben tener en cuenta el diagrama de tiempos
y formato de la comunicación indicada por el fabricante.
Figura 23 Diagrama de tiempos y formato para enviar (a) o recibir (b)
Cuando la línea CS se establece en cero para dar inicio a la comunicación, el
formato debe empezar con un byte de comando donde se especifica al ADE7756
la operación a realizar (b’100’ escritura o b’000’ lectura) para luego, con los 5 bits
restantes indicar la dirección del registro al cual se desea escribir o leer. Con este
byte de comando ejecutado, se pueden enviar o recibir después, todos los bytes
de datos requeridos. Finalmente y para terminar la comunicación se debe
establecer la señal CS en uno.
Figura 24 Byte de inicialización para la comunicación SPI
1 Microncontroladores Motorola-Freescale. Alfaomega, 2007. p311
44
3.1.3 Funcionamiento del ADE7756 y cálculo de energía
La potencia es la razón del flujo de energía desde la fuente hasta la carga en la
unidad de tiempo. Lo cual está dado por el producto instantáneo de las señales de
voltaje y corriente. La señal resultante se denomina potencia instantánea, y es la
velocidad del flujo de energía en cualquier instante de tiempo.
Se tiene entonces: v(t)= 2 V sen(wt)
i(t)= 2 I sen(wt)
donde V e I es el voltaje y corriente rms respectivamente.
Luego tenemos que: p(t) = v(t) i(t) = VI - V I cos(2wt)
La potencia promedio sobre un número entero de ciclos está dada por:
donde T es el período del ciclo y P la potencia activa.
Podemos observar que la potencia activa es igual a la componente continua de la
potencia instantánea p(t) o VI. Esta es la relación utilizada para calcular la
potencia activa en el ADE7756. Luego, la componente continua de la potencia
instantánea es extraída por un filtro pasa bajo para obtener información de la
potencia activa. Los cálculos de potencia y energía activa pueden calibrarse con el
registro Ajuste de Ganancia de Potencia Activa (APGAIN).
Teniendo en cuenta que la potencia es la velocidad del flujo de energía, la cual se
expresa matemáticamente como:
dEP=
dt
donde P es la potencia y E la energía.
45
La energía estaría dada como la integral de la potencia, es decir:
El ADE7756 realiza la integración de la potencia activa como una acumulación
continua de la misma en un registro interno de 40 bits denominado Active Energy
(AENERGY). Esta acumulación de tiempo discreto es equivalente a la integración
en tiempo continuo y estaría dada por la ecuación:
donde n es el número de muestras y T el período de muestreo.
El período de muestreo en el ADE7756 estaría dado por:
4T=
CLKIN
donde CLKIN es el oscilador externo (4MHz).
Con el valor máximo de la señal sinusoidal coincidiendo con el máximo en las
entradas análogas (ajuste de ganancias de canal) y el registro APGAIN con h’000’,
el valor promedio del filtro pasa bajo es h’CCCD’1. Considerando adicionalmente,
que el valor máximo que puede almacenarse en el registro de energía activa es
239 ó h’7FFFFFFFFF’, el tiempo de integración calculado sería:
h'7FFFFFFFFF'tiempo= ×T=10.48s
h'CCCD'
Para determinar el valor de energía consumida con el tiempo de integración, se
deben establecer los valores de operación del medidor, con lo cual se diseña
también el acondicionamiento…véase numeral 2.1.3... Luego se calcula el
1 ADE7756N Active energy metering IC with serial interface. rev 0, 2001. p32
46
incremento en vatios-hora cada vez que el registro de energía activa se llena, de
la siguiente forma:
P = 120V 50A = 6000 W
Este valor de potencia es equivalente al llenado del registro de energía activa, el
cual toma el tiempo antes calculado. Por lo tanto, dicho incremento de energía
esta dado por:
1hE=6000W×10.48572s× =17.4762Wh
3600s
Lo anterior significa que cada vez que se llene el registro de energía activa se
habrá consumido una cantidad de energía igual a 17.4762 W-h.
Este funcionamiento tan sencillo es posible porque la mayoría de los medidores
comerciales utilizados para facturación visualizan cinco dígitos enteros y un dígito
decimal (00000,0 KW-h). Por lo tanto en el diseño de este medidor de energía
electrónico se tendría una precisión de 1/57 KW-h y 57 pulsos de interrupción para
sumar 0.1 KW-h al conteo de energía.
Internamente, el llenado de este registro de energía activa se indica mediante la
bandera de sobre flujo AEOF (Active Energy Overflow Flag) del registro de estado
de interrupción, la cual debe limpiarse leyendo dicho registro y de esta forma
garantizar la espera de una nueva interrupción (pin IRQ de nuevo en alto).
De lado del microcontrolador, esta interrupción se maneja mediante la función
entrada de captura del temporizador interno y la subrutina de interrupción
correspondiente. Dado que esta subrutina esta asociada con la interrupción por
llenado del registro de energía activa en el ADE7756, es en esta parte del
programa donde están las demás subrutinas que permiten actualizar las variables
47
de conteo de energía (CAMPULSO), luego almacenar dicho valor en la memoria
EEPROM de respaldo y finalmente actualizar el consumo en la pantalla LCD.
Figura 25 Diagrama de Flujo de la subrutina de interrupción del TIM
3.1.4 Control y configuración del módulo Bluetooth
En la comunicación con el módulo Bluetooth se utiliza el hardware de
comunicación serial (SCI)1 del microcontrolador diseñado específicamente para
esta función y por tanto facilitando el trabajo con la interfaz.
Al igual que el módulo temporizador para las interrupciones por llenado del
ADE7756, este módulo de comunicación se utiliza mediante interrupciones con el
fin de no consumir tiempo de proceso y energía en la espera de información
proveniente del módulo Bluetooth.
Al momento de llegar información se ejecuta la subrutina de interrupción por
recepción del SCI, llamando a su vez la subrutina RECIB_SCI. Esta subrutina se
1 Microcontroladores Motorota-Freescale. Alfaomega, 2007. p299
48
encarga de procesar cualquier dato recibido, y si este tiene el formato y los
parámetros de comunicación establecidos, incluyendo un código simple de
verificación, el microcontrolador consulta la memoria para entregar el consumo de
energía actual, siendo necesario utilizar la subrutina ENVIAD para ensamblar la
cadena de caracteres correspondientes a enviar al teléfono.
Figura 26 Diagrama de Flujo de la interrupción del SCI
Previamente el módulo Bluetooth es configurado como esclavo, esperando por
una solicitud de conexión del teléfono (procedimiento escaneo de búsqueda o
page scan). Una vez la conexión es lograda, el módulo entra en modo de datos
funcionando como un puerto serial inalámbrico por el cual fluye la información de
forma transparente. Sin embargo, el teléfono exige vía Bluetooth la pequeña trama
de comunicación mostrada en la figura 3.7, donde los bytes de datos son los
caracteres ensamblados por la subrutina ENVIAD.
Figura 27 Formato de los datos en la comunicación con el teléfono
49
Para habilitar en la conexión este puerto serial inalámbrico, ambos dispositivos
deben utilizar el perfil de puerto serial (Serial Port Profile o SPP). A este nivel, el
medidor cumple la función de servidor y el teléfono la de cliente, solicitando el
consumo de energía actual una vez se tiene la conexión.
El módulo Blueradios en particular, permite un fácil acceso a la pila de protocolo
Bluetooth mediante comandos AT1, algunos de los importantes utilizados en la
aplicación son mostrados en la tabla 3.1
COMANDO AT FUNCION
ATLSTO,20 Tiempo fuera del enlace 20 s
ATSW24,2,0,0,0 Desactiva el envío de alguna respuesta de conexión.
ATSN,1000000001Número de matrícula del medidor como nombre del módulo Bluetooth
ATSW25,0,0,0,0 Configuración como esclavo en modo rápido de datos y uso del perfil de puerto serial (SPP).
Tabla 3 Configuración módulo Bluetooth
3.1.5 Manejo de la pantalla LCD
Se utilizó una librería estándar (display.asm) para el manejo de esta pantalla con
las subrutinas necesarias para su inicialización y manejo de mensajes.
SUBRUTINA FUNCIÓN
INI_LCDSe encarga de la inicialización de la pantalla manteniendo los tiempos de espera.
LCD_GOTOXYPosiciona el cursor en las coordenadas especificadas
LCD_CHAR Escribe un carácter
LCD_STRING Escribe una frase Tabla 4 Subrutinas para el manejo de la pantalla LCD
1 User guide for Blueradios intelligent serial module AT command set. Rev 2.8.1.3.0
50
3.2 PROGRAMA DEL TELÉFONO CELULAR
Este programa busca suministrar al operario de la empresa de energía: movilidad,
portabilidad, accesibilidad, conectividad, bajo costo, facilidad de manejo y
confiabilidad en la toma de datos.
Para lograr todas estas características se utiliza un teléfono convencional de gama
alta, el cual tiene conexión a Internet y comunicación Bluetooth. Siendo este un
dispositivo móvil, permite tener fácil acceso a los datos en cualquier lugar dentro
del área de cobertura de la red celular y dada la competencia de los operadores
celulares se tiene un bajo costo.
En cuanto a la facilidad de manejo, se cuenta con factores como la familiaridad de
los usuarios con los teléfonos celulares y un diseño simple de la aplicación donde
el programa se presenta con unos elementos mínimos para evitar confusión en el
operario, trabajando la interfaz de usuario solo con menús, campos de texto y
botones.
3.2.1 Manejo de Bluetooth en el teléfono
Para acceder al hardware Bluetooth del teléfono es necesario contar con la API
JSR-82 (nombre formal de la API Bluetooth de JAVA diseñada por el JAVA
Community Process). Esta API se encuentra dividida en dos paquetes: el
javax.bluetooth y el javax.obex, los cuales son totalmente independientes.
El primero de ellos define clases e interfaces básicas para el descubrimiento de
dispositivos, descubrimiento de servicios, conexión y comunicación. La
comunicación a través de javax.bluetooth es a bajo nivel: mediante flujos de datos
o mediante la transmisión de arreglos de bytes.
Por el contrario javax.obex permite manejar el protocolo de alto nivel OBEX
(OBject Exchange o intercambio de objetos). Este protocolo es muy similar a
51
HTTP en su manejo de estados de comunicación y es utilizado principalmente
para el intercambio de archivos. El protocolo OBEX es un estándar desarrollado
por la asociación de datos infrarrojo (IrDA) y es utilizado también por otras
tecnologías de comunicación inalámbrica.
Algunas características de esta API son:
! Registro de servicios.
! Descubrimiento de dispositivos y servicios.
! Establecimiento de conexiones a nivel de RFCOMM, L2CAP y OBEX.
! Uso de estas conexiones para enviar o recibir datos.
! Manejo y control de las conexiones.
! Ofrecimiento de niveles de seguridad para la comunicación.
! Sin soporte para enlaces de audio.
! No todos los dispositivos con Bluetooth integran esta API y si carecen de
ella no puede ser instalada.
Algunas funciones utilizadas en esta aplicación son:
Tabla 5 Funciones utilizadas de la API JSR-82
MÉTODO FUNCIÓN
GetLocalDevice Muestra las características del dispositivo local
GetBluetoothAddress()Obtiene la dirección Bluetooth del dispositivo local.
GetFriendlyName()se obtiene el Friendly Name del dispositivo local
RemoteDevice Ofrece acceso a un dispositivo remoto.
DiscoveryAgentInterfaz que provee métodos para descubrir dispositivos y servicios.
StartInquiry Inicia búsqueda de dispositivos.
ServicesDiscoveredUtilizado cuando se encuentran servicios en un dispositivo.
ServiceSearchCompletedEs llamado cuando se finaliza la búsqueda de dispositivos.
52
Para abrir cualquier tipo de conexión se utiliza la clase
javax.microedition.io.Connector, con el método estático y sobrecargado open(). Su
versión más sencilla requiere un parámetro tipo string que contiene el URL con los
datos necesarios para realizar la conexión. El URL es diferente dependiendo si es
cliente o servidor de una conexión L2CAP o SPP.
3.2.2 Descripción del programa
Las interfaces de usuario diseñadas son:
! Ventana de acceso: Al ejecutar el programa, lo primero que se hace es
solicitar los datos el nombre y clave de operario, para realizar un enlace http
con el servidor de datos y de esta forma validar si el usuario esta autorizado
a consultar e ingresar datos al sistema. En caso afirmativo, el programa
entra a un menú de servicio, o en caso contrario se indica mediante un
mensaje que no se tiene permiso para acceder a la aplicación.
Figura 28 Ventana para validación de operario
! Menú principal: Esta ventana muestra las diferentes opciones a elegir por el
operario, las cuales buscan cubrir las diferentes posibilidades en una toma
real de datos.
53
Figura 29 Ventana para opciones de manejo
! Toma manual: Esta opción del menú principal intenta permitir al operario
capturar los datos de medidores que no tengan conectividad Bluetooth,
haciéndolo compatible con los medidores actuales y facilitando la
renovación tecnológica de los mismos. De esta forma es necesario leer
manualmente del medidor su número de matrícula y consumo.
Figura 30 Ventana para toma manual
! Toma automática: Esta opción realiza la comunicación inalámbrica con el
medidor, es decir, se encarga de buscar los medidores con conectividad
54
Bluetooth en el área de cobertura, consultando cada uno de ellos para
capturar los valores de medida. Una vez se establece el enlace Bluetooth
con un medidor en particular, se envía un carácter de control para recibir los
datos del medidor. Se decidió utilizar solo un caracter de control, ya que la
lectura es pública y puede ser consultada por el mismo abonado eléctrico.
El programa del microcontrolador en el medidor no permite realizar ninguna
modificación el consumo o en la calibración a través del enlace inalámbrico.
Con los datos en el teléfono se hace una conexión HTTP a la central de
proceso. Realizando todos los chequeos de seguridad del servidor de
datos, incluyendo la validación de usuario y claves, se registran los datos y
se envía una respuesta al teléfono con toda la información necesaria para
la generación de la factura. En esta parte el teléfono establece un segundo
enlace Bluetooth con la impresora portátil, imprimiendo en línea la factura
que se entrega finalmente al abonado eléctrico.
Figura 31 Esquema cliente-servidor
! Consulta: Con esta opción se brinda un medio de consulta al operario de la
empresa de energía para observar todos los detalles del abonado como
son: tipo (residencial, comercia e industrial), estrato socioeconómico, entre
otras, con el fin de detectar situaciones anormales o simplemente para dar
respuestas a preguntas del abonado eléctrico.
55
! Anomalías: Esta opción da la posibilidad de reportar irregularidades del
abonado como lo son: cambio de tipo de servicio (residencial, comercial,
industrial), posibles fraudes, cambios radicales en el consumo, entre otras.
! Impresión: Orden manual de impresión para la factura una vez chequeados
todos los datos del abonado eléctrico.
3.3 PROGRAMA DEL SERVIDOR DE DATOS
Para lograr la comunicación entre el teléfono y la central de datos esta se debe
preparar, es decir, se debe tener un servidor WEB e instalar un software que
permita hacerlo, como por ejemplo: Internet Information server (IIS), Apache,
Xitami o Personal Web Server (PWS). En este caso se utilizó el IIS, requiriéndose
además instalar un intérprete del lenguaje de programación WEB como el
Hypertext Preprocessor (PHP).
3.3.1 Hypertext Preprocessor (PHP)
PHP es un lenguaje "Open Source" interpretado de alto nivel, especialmente
pensado para desarrollos WEB y el cual puede ser embebido en páginas HTML.
La mayoría de su sintaxis es similar a C, Java y Perl. El objetivo de este lenguaje
es permitir escribir a los creadores de páginas WEB, páginas dinámicas de una
manera rápida y fácil, aunque se pueda hacer mucho más con PHP. En este caso
PHP permite procesar las solicitudes de acceso a la base de datos y a los datos
de prefacturación realizados por los programas con los cuales ya cuente tengan la
empresa de servicios públicos.
3.3.2 Protocolo HTTP
El protocolo HTTP es un protocolo del tipo petición/respuesta. Cuando el cliente
realiza una petición al servidor y espera una respuesta, el servidor cierra la
conexión. Normalmente, esta comunicación es la que suele realizarse entre un
navegador WEB y un servidor WEB. Para esta aplicación la comunicación se
realizar entre el teléfono (cliente) y un servidor que recibe las peticiones y,
56
dependiendo del caso, devuelve un resultado. El procedimiento a seguir para una
comunicación HTTP es en primer lugar establecer la conexión, conectarse y luego
cerrar la conexión.
En el primer estado se establecen los parámetros de comunicación y el cliente
prepara la petición que va a realizar al servidor, además de negociar una serie de
parámetros como el formato, el idioma, etc.
La petición de información se puede hacer por tres métodos dentro de protocolo
HTTP como lo son:
! GET: Petición de información en la cual, los datos se envían como parte del
URL.
! POST: Petición de información en la que los datos se envían
independientes en un stream.
! HEAD: Petición de meta-información.
En este caso se trabaja con el método GET, donde se incluirá la información como
cadena de texto del URL. La información va detrás del símbolo ‘?’ situado al final
de la dirección URL. Cada parámetro de la petición va separado del siguiente por
el símbolo ‘&’. Cada vez que se envía una petición de conexión se envían las
variables con sus valores en la cadena de conexión, el servidor los procesa antes
de devolver la información y cierra la conexión. Durante el procesamiento se lanza
el intérprete de PHP para tomar los datos y con estos realizar ciertos procesos.
Ejemplo de cadena de envío:
http://servidor.com/pagina.php?variable1=88&variable2=34
El servidor al recibir esta información ejecuta la pagina PHP con la variable1 y
variable2 como datos de entrada.
57
3.3.3 Software PHP en el servidor WEB de aplicaciones.
Esta parte del programa busca preparar el servidor para dar respuesta eficaz a las
peticiones del teléfono como lo son: validación de usuario, consulta de abonado,
registro de datos, etc. Cada una de estas tareas es realizada por páginas WEB
realizadas en PHP.
PÁGINA FUNCIÓN
transmite.php Verifica que el usuario sea válido
Registra.php Registra las lecturas enviadas por el medidor
Consulta.php Consulta la información de un abonado
Anomalias.php Formulario de registro de anomalías
Tabla 6 Programas en el Servidor
Básicamente estas páginas reciben información, con la cual buscan en la base de
datos y realizan pequeños cálculos que se entregan finalmente al teléfono junto
con la información básica del abonado. Esta aplicación no pretende realizar
cálculos del kilovatio-hora, ya que esto depende del modelo de cada empresa de
servicios, al igual que de sus costos fijos. Adicionalmente, la gran mayoría de
estas empresas cuentan con programas muy completos de calculo de facturación,
lo que se intenta brindar son algunos módulos adicionales que pueden facilitar el
acceso a la información y que reduzcan el ciclo de facturación
3.3.4 Modelo de los datos
Para lograr la interacción de los diferentes programas con los datos almacenados,
se creó una sencilla base de datos para mostrar la consulta y actualización de
datos en línea.
La base de datos se diseñó con Microsoft Access, pero también se puede realizar
con cualquier motor de base de datos comercial como: SQL, MySQL, ORACLE,
etc.
58
El modelo de datos puede tener cuantas tablas y campos se requiera, sin embargo
para hacerlo sencillo solo se incluyeron unas pocas tablas con campos básicos,
como se muestra en la figura 32.
Figura 32 Modelo de datos
Las tablas pensadas para el modelo de datos son:
! Matrícula: Contiene los campos necesarios para identificar el abonado
eléctrico, como son el número de registro, tipo, estrato, dirección, es decir,
los datos que lo clasifican e identifican según su tarifa.
! Medidas: Busca registrar la captura de consumo, la fecha y hora de la
lectura, al igual que la persona que la realizó.
! Personal: Se encuentra el registro de los nombres y claves, con el objetivo
de validar a los operarios y establecer si están autorizados para realizar la
toma de datos.
59
! Anomalías: Permite al operario registrar algunos cambios en el estado del
abonado para clasificarlo de nuevo o programar revisiones más profundas
que puedan detectar posibles fraudes.
! Tablas del servidor: Relacionan por un campo llave en este caso será el
número del medidor, esto para las tablas que se encargan de datos del
abonado.
60
4 PRUEBAS Y RESULTADOS
Basados en la metodología propuesta las pruebas al sistema se centran en
obtener un ciclo completo de trabajo, es decir, lograr comunicación entre:
El teléfono celular y el medidor de energía.
El teléfono celular y el servidor de datos.
El teléfono celular y la impresora portátil.
4.1 PRUEBAS DE COMUNICACIÓN ENTRE EL TELÉFONO Y EL MEDIDOR.
La comunicación entre estos dos dispositivos se hace vía Bluetooth, donde en
este caso, el modulo BlueRadios del medidor es clase 1 y el de la mayoría de
teléfonos celulares es clase 3.
La clasificación de los módulos Bluetooth como "Clase 1", "Clase 2" o "Clase 3"
hace referencia únicamente a la potencia del transmisor y sensibilidad del
receptor, siendo totalmente compatibles los dispositivos de una clase y otra.
CLASE POTENCIA MÁX. (mW) RANGO APROX. (m)
1 100 100
2 2.5 20
3 1 10 Tabla 7 Clases de Dispositivos Bluetooth
Es importante aclarar que las distancias que establecen las especificaciones son
medidas tomando punto a punto dos dispositivos de la misma clase, instalados a
campo abierto y con línea de vista. La realidad es que en instalaciones normales
en el interior de edificios, la distancia puede ser menor, según las condiciones de
propagación (saturación ligera, moderada o pesada).
61
Después de algunas pruebas de distancia sencillas con el módulo BlueRadios del
medidor y un teléfono celular Nokia 6230, se puede garantizar un rango máximo
de 8 metros solo para crear el enlace. Lo cual se puede mejorar adicionando al
medidor una antena externa.
Una vez garantizado el enlace entre ambos dispositivos se solicita desde el menú
principal del teléfono, una toma automática de la lectura de energía, confirmando
en pantalla dicho valor en KW-h al igual que el número de matricula del medidor
de energía. Esto comprueba la comunicación bidireccional entre el teléfono y el
medidor de energía, mostrándose además, que se puede tener más información
como: factor de potencia, energía reactiva, registro, estado, entre otras.
4.2 PRUEBAS DE COMUNICACIÓN ENTRE EL TELÉFONO Y EL SERVIDOR
DE DATOS.
Con el objetivo de simular el servidor de datos de la empresa de energía y hacer
las pruebas lo más cercano a la realidad, se montó un sitio WEB en un servidor
con Windows Server 2003 e isa Server 2004 ubicado en la ciudad de Medellín.
Las pruebas consistieron en ver el registro de energía en una base de datos
montada en Microsoft Office Access de dos formas:
Consulta telefónica: Una persona del equipo de trabajo realiza la toma de
datos en Pereira y vía Chat consulta a una segunda persona la llegada del
dato al servidor en Medellín, comprobando el consumo registrado por el
medidor y datos del abonado eléctrico.
Consulta vía Terminal Server: Desde un computador ubicado en Pereira se
realizó una conexión de escritorio remoto con la base de datos del servidor
en Medellín, al pulsar CONECTAR en el teléfono se realiza una
actualización a la tabla de datos, verificando simultáneamente la recepción
de los datos (número de matrícula y consumo).
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Figura 33 Página WEB del servidor de datos
4.3 PRUEBAS DE COMUNICACIÓN ENTRE EL TELÉFONO Y LA IMPRESORA
En este caso se utilizó una impresora portátil marca EXTECH Instruments, modelo
S3750THS. Con la cual se realizaron pruebas de comunicación primero entre la
impresora y un PC; esto con la intención de conocer algunos detalles de manejo
como lo son el nombre amigable del dispositivo Bluetooth interno, forma de la
trama de datos a enviar e impresión de algunos datos básicos. Posteriormente se
diseñó un formato sencillo de factura en archivo de texto, para adicionarlo al
programa del teléfono.
Figura 34 Aspecto de la factura
63
Con lo anterior se muestra la transferencia de datos entre la impresora y el
teléfono celular al momento de imprimir la factura, estableciendo para ello un
segundo enlace Bluetooth.
Debido a que la factura tiene una serie de elementos gráficos y de texto que no
cambian en cada ciclo de facturación, por lo general, se mantienen facturas
preimpresas con estos elementos constantes y la impresora solo rellena los
campos que cambian mes a mes por abonado eléctrico. La figura 35 muestra un
fragmento del formato utilizado por la empresa de energía de Boyacá S.A ESP.
Figura 35. Ejemplo de un formato de factura preimpreso
64
4.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MEDIDOR DE ENERGÍA
Para verificar el funcionamiento del medidor de energía se utilizaron cargas
conocidas de tipo resistivo e inductivo, dado que estas son las cargas más
comúnmente encontradas en un predio de tipo residencial.
Una prueba inicial, consistió en calcular con la potencia conocida de ambos tipos
de carga, el tiempo necesario para que el medidor de energía registrara un
consumo de 0.1KW-h. Con este cálculo se energizó el medidor y la carga,
empezando a registrar mediante un cronómetro el tiempo al momento de notar el
cambio deseado en el consumo actual del medidor.
Figura 36 Prueba con cargas resistivas
Luego, con el propósito de comparar el consumo registrado por el medidor de
energía se utilizo el equipo para medidas de calidad de energía TOPAS 1000,
conectando para ello, ambos dispositivos a la carga y registrando el consumo por
un intervalo de tiempo de 20 minutos.
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Figura 37 Resultados con el TOPAS 1000 para una carga resistiva
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5 CONCLUSIONES
Dentro del proceso de facturación, la tendencia actual esta dada hacia el
reemplazo de los tradicionales medidores por los nuevos de tipo electrónico y con
mayores capacidades tecnológicas. Lo anterior cambia el concepto de un medidor
estático que solo entrega lecturas de consumo a un “medidor inteligente” con
posibilidades de comunicación a otros dispositivos, manejo de otras variables de
interés, registro y por que no, toma de decisiones. Aún así, el mejoramiento del
proceso de facturación no se centra sólo en el medidor, también es importante
considerar los demás elementos que involucra todo el proceso.
La metodología de facturación en sitio propuesta demuestra que en este caso, la
convergencia e integración de varias tecnologías de hardware y software como
Bluetooth y la red celular, llevan al mejoramiento del proceso de facturación actual
trayendo además beneficios notables tanto para la empresa de servicios públicos
como para sus clientes.
Desde el punto de vista de la empresa de energía, la facturación en sitio simplifica
las etapas del proceso actual a una sola donde se realiza la lectura y distribución
de la factura simultáneamente. Esta disminución en el ciclo de facturación
aumenta la liquidez de la empresa, haciendo más fácil la inversión en expansión y
modernización de la red eléctrica.
Gran parte de los costos del proceso, solo en la lectura de medidores, se debe al
gran tiempo y personal dedicado para esta tarea. Considerando además la
posibilidad de fraude y error humano que pueden ocasionar subprocesos como
segundas lecturas, reclamos, procesos judiciales entre otros, retrasando la
facturación. La lectura automática de medidores impide la manipulación de datos
por parte de los operarios suministrando credibilidad sobre lo facturado.
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Lo anterior hace más fiel la toma de decisiones en la empresa, en cuanto a la
energía que se compra al mercado mayorista y permite desde el punto de vista del
cliente hacer un presupuesto de cuanto será su consumo mensual real, evitando
retrasos en sus pagos.
Otra ventajas de la metodología de facturación en sitio propuesta, se encuentra en
el uso de la red celular como medio para el acceso en línea de los datos del
cliente, ya que no se requiere crear grandes infraestructuras de comunicación
pues las empresas celulares ya las poseen y realizan su mantenimiento
respectivo. Además, la masificación de teléfonos celulares hace cada vez que la
tarifa del servicio sea más baja.
Aunque la facturación hoy en día tiende cada vez más hacia los sistemas de
Lectura Automática de Medidores (sistemas AMR), se piensa que la facturación en
sitio es una buena propuesta para nuestro entorno dado el nivel de pérdidas
negras que se registran cada vez. En este orden de ideas, es de utilidad no solo
con la crítica de lectura, si no también una inspección visual por parte del operario
de la empresa de energía para registrar anomalías de algún tipo.
68
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