ES2384854A1 - Sistema de gestión de luminarias en entornos urbanos. - Google Patents
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Abstract
Sistema de gestión de luminarias en entornos urbanos, que comprende, en cada luminaria (1):- balasto electrónico (2) para controlar la intensidad lumínica;- módulo de comunicaciones inalámbrico (4);- placa de sensores (5) conectada a sensores (7);- medios de procesamiento de datos (6).Las luminarias (1) forman una red de nodos inalámbrica comprendiendo:- nodo gateway (9) para comunicar la red con un elemento de control externo;- nodos coordinadores (11) encargados de generar una subred (13) y controlar las luminarias (1) de dicha subred (13);- nodos finales (12), cada uno englobado en una subred (13) y subordinado al nodo coordinador (11) correspondiente.El sistema comprende un servidor (8) configurado para controlar y acceder a los distintos nodos de la red de nodos a través del nodo gateway (9). Los nodos finales pueden estar formados también por otros mobiliarios urbanos para la creación de ciudades inteligentes.
Description
Campo de la invención
La presente invención se engloba dentro del campo de ciudades inteligentes y, más concretamente, en el control remoto de luminarias en entornos urbanos.
Antecedentes de la invención
En la actualidad existen dos sistemas de control de luminarias:
- -
- Sistema utilizado por Philips, donde el control es realizado a través del cable de la luz (PLC). Este sistema a priori parece más sencillo de instalar ya que no hay que dotar de una infraestructura nueva, al ser realizado el control a través del propio cable que alimenta la farola, pero la realidad es otra bien distinta ya que las instalaciones (cableado de las ciudades) actuales son en su mayoría muy antiguas, por lo que el PLC no puede actuar por la cantidad de parásitos (perturbaciones que tiene dicho cableado, venidas de una mala distribución y de no tener en cuenta que el cableado eléctrico se pude utilizar para comunicaciones, al ser instalaciones que en algunos casos llegan a los 50 años y esta aplicación no se pensaba).
- -
- Sistema de radio frecuencia punto a punto en la frecuencia de 433 Hz. Dicho sistema utiliza siempre la línea de vista para realizar sus tareas, es decir que para actualizar los nodos de comunicaciones el coordinador y gateway (padre) debe de ver a los nodos (hijos) para cambiar simplemente el horario o para recibir información yen el momento que perdemos la comunicación con él, toda la sección que controla se pierde y no reporta.
Los dos sistemas tienen como premisa actuar en la farola para ahorrar energía, ninguno está pensado para dotar a una ciudad de inteligencia y que sus nodos no sólo sean las farolas, también puede ser una persona, un semáforo, un coche en movimiento o cualquier otro dispositivo del que nos interese extraer información.
Descripción de la invención
El sistema de gestión de luminarias objeto de la presente invención tiene por objetivo ofrecer un servicio de gestión de luminarias, de tal forma que es posible controlar la intensidad de las mismas de forma individual, en forma conjunta, o atendiendo a distintos perfiles de iluminación previamente establecidos, todo ello desde una ubicación remota y ubicua, aumentando el control y facilitando las tareas de mantenimiento de las luminarias. Para la comunicación entre farolas se emplea la tecnología ZigBee mediante la topología mallada, con la cual es posible formar una red inalámbrica de luminarias accesible desde un servidor. Para ello, se instalan un conjunto de dispositivos en cada una de las luminarias a gestionar.
Al regular el flujo de iluminación se consigue un ahorro energético desde hasta el 80%, e indirectamente se disminuye tanto la contaminación luminosa como las emisiones de CO, consiguiendo hacer eficiencia energética al 100%.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 muestra los componentes de las luminarias. La Figura 2 muestra, en un esquema funcional, los componentes de las luminarias. La Figura 3 representa un ejemplo de topología de red establecida entre las luminarias. La Figura 4 muestra la arquitectura software por capas del sistema de gestión de luminarias. La Figura 5 muestra un diagrama de flujo funcionamiento del sistema.
Descripción detallada de la invención
El sistema de gestión de luminarias que la presente invención propone está compuesto por una red inalámbrica de luminarias, que constituyen los nodos del sistema, accesible desde un servidor encargado de controlar el sistema de forma remota. Toda la información se visualiza y controla a través del software de gestión del servidor, que constituye un SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) desarrollado explícitamente para esta aplicación y que es totalmente configurable para cada una de las necesidades particulares.
En la Figura 1 se representa los componentes de cada luminaria 1. Cada luminaria 1 dispone de un balasto electrónico 2 y un módulo de control 3. A su vez, el módulo de control 3 comprende un módulo de comunicaciones inalámbrico 4 con tecnología Zigbee, una placa de sensores 5 y medios de procesamiento de datos 6 con software de gestión. Los medios de procesamiento de datos 6 (por ejemplo, un microcontrolador) se comunican con la placa de sensores 5 donde se encuentran conectados los diferentes dispositivos o sensores 7, tales como un sensor de intensidad lumínica. Los medios de procesamiento de datos 6 controlan el balasto
5 electrónico 2 para ajustar el flujo lumínico (mediante la señal de control continua del balasto electrónico), según la información recibida por el módulo de comunicaciones 4 y opcionalmente teniendo en cuenta el estado del sensor o sensores 7 conectados a la placa de sensores 5.
10 El balastro electrónico 2 es un balasto electrónico dimeable de 0-10V. En la Tabla 1 se muestra a modo de ejemplo una tabla de características posible para un modo de realización preferido:
- BALASTRO ELECTRÓNICO
- Voltaje de alimentación nominal
- 220-240V
- Con tolerancia para rendimiento
- +6%-8% 206-254V
- Con tolerancias para operación
- 180-264V
- Frecuencia de alimentación
- 50/60-Hz
- Frecuencia operación (típica)
- 130 Hz
- Factor de potencia
- 0,98
- Voltaje de ignición
- 3-4kV
- Control de voltaje de salida
- 0-10V
- Protección contra conexión de voltaje alimentación
- Sí
- Regulación (flujo luminoso)
- 20%-100%
- Después de la ignición o del re-direccionamiento de la lámpara, la operación de la lámpara siempre es en el nivel 100% por 5 minutos
- Las clasificaciones de control gradual de iluminación son implementadas para garantizar el mejor comportamiento de la lámpara.
- Tiempo de aumento gradual
- (20%-100%) <2s
- Tiempo de disminución gradual
- (100%-20%) <2min
- Corriente de dispersión de toma a tierra
- < 0,5 mA por balasto
- Capacitancia de cableado Máx.
- 1nF para ignición apropiada
Tabla 1: Características del balastro electrónico
En cuanto a las características del módulo de comunicaciones 4, se muestra a
modo de ejemplo en la Tabla 2 una tabla de características posible para un modo de
realización preferido.
- Características
- Frecuencia
- 2,405 a 2,480 Ghz
- Potencia TX
- 20 Dbm como max
- Sensibilidad Rx
- -98 dBm
- Alcance Outdoor
- 350 metros
- Antena
- Flat panel, integrada en placa
- Ancho de banda
- 250Kbps
- Alimentación
- Consumo TX-RX
- 35mA
- Consumo en Standby
- 9 uA
- La alimentación
- 220 AC conmutado a Baterías AA 1,5
Tabla 2: Características del módulo de comunicaciones del nodo Zigbee
Si la distancia entre nodos fuera mayor de lo habitual o alguno quedara aislado 10 del resto, existe la posibilidad de incorporar módulos amplificadores para garantizar la comunicación entre todos ellos.
Cada uno de los nodos tiene incluido una placa de sensores 5. Esta placa posee diferentes interfaces para sensores 12C, SPI y EIA-232/EIA-485, además de un
15 autómata programable para poder controlarlos. En la Tabla 3 se presenta, a modo de ejemplo para un modo de realización, una tabla resumen de las características de la placa de sensores:
Sensores por placa
Número Máximo de sensores
- Interfaces para los sensores
- 12C, SPI y EIA-232/EIA-485
- Entradas
- 4 analógicas
- 1 Digital
- Salidas
- 4 Digitales
- Normas
- CE, ETSI EN 300 328, RoHs
- Dimensiones
- Menor de 100X100X30mm
- Número máximo de saltos sin Máster
- 100
- Encriptación
- 128 Bits
- Periodo de Muestreo
- Mínimo 20ms
- Estanqueidad
- IP67
Tabla 3: Características de la placa de sensores
En la Figura 2 se muestra un esquema funcional de los componentes de la luminaria similar a la Figura 1. Según este esquema la luminaria 1 comprende un 5 sistema de gestión de luminarias que a su vez engloba un subsistema de control de
luminaria y un subsistema ZigBee.
El subsistema de control de luminaria (básicamente equivalente a los medios de procesamiento de datos 6 de la Figura 1) es responsable de las siguientes 10 funcionalidades:
- •
- Alimentación al sistema de gestión de luminarias y al subsistema ZigBee a través de una batería recargable.
- •
- Control de la intensidad de la luminaria a través de un balastro electrónico.
• Medición de ciertas magnitudes a través de un conjunto de sensores 15 preinstalados.
• Comunicación con el subsistema ZigBee.
Por su parte, el subsistema ZigBee (básicamente equivalente al módulo de comunicaciones 4 con tecnología Zigbee y la placa de sensores 5) es el responsable 20 de proporcionar una comunicación inalámbrica entre dispositivos. Además incorpora
diferentes interfaces para la medida de magnitudes a través de sensores.
Tal como se muestra en la Figura 3, existen varios tipos de nodos según sea la funcionalidad del subsistema ZigBee: 25 • Nodo gateway 9: es el nodo que se encarga de comunicarse con el exterior, con el servidor que control el sistema de gestión de luminarias, recibir las
órdenes del servidor y transmitirlas para que lleguen a la luminaria o conjunto de luminarias determinadas, así como recoger la información de las luminarias y enviarlas al servidor.
- •
- Nodo router 10: este tipo de dispositivo es capaz de redireccionar mensajes hacia otros elementos de la red, y posee memoria y capacidad de cálculo suficiente para realizar estas tareas.
- •
- Nodo coordinador 11: este nodo se encarga de generar una subred 13, y controlar las luminarias que componen dicha subred 13, seleccionar los caminos que deben seguir los mensajes dentro de ella, establecer el nivel de seguridad de la subred e incorporar las interfaces necesarias para la comunicación con el exterior, ya sea a través de una red wifi, Ethernet o 3G. Cada nodo coordinador 11 forma una subred independiente y debe existir uno de ellos en cada subred.
- •
- Nodo final 12: son dispositivos de funcionalidad reducida, estos no son capaces de recibir mensajes ni transmitir mensajes a otros elementos de la red que no sean de tipo router o coordinador. Estos dispositivos pueden permanecer dormidos la mayor parte del tiempo ahorrando batería y además sus requisitos de memoria y capacidad de cálculo son mínimos.
Los nodos forman entre ellos una red de comunicación inalámbrica robusta y accesible desde el exterior, a través del servidor 8, de tal forma que cada luminaria puede ser gestionada de forma independiente o en conjunto. Existen diferentes topologías de red, el sistema de gestión de luminarias es compatible con todas ellas escogiendo siempre la que ofrezca mayores garantías en cuanto a robustez y fiabilidad, de tal forma que siempre existan caminos alternativos en caso de que algún nodo de la red presenta un fallo o un comportamiento erróneo. En la topología de la red de sensores mostrada en la Figura 3, los dispositivos FFD (Dispositivos de Funcionalidad Completa) presentan la funcionalidad de nodo gateway 9, nodo router 10 o nodo coordinador 11, mientras que los dispositivos RFD (Dispositivos de Funcionalidad Reducida) adquieren la funcionalidad de nodos finales 12. En la Figura 3 los nodos 9,10,11 pueden actuar a lo unísono como coordinadores y como nodo final
o hijo pero sin embargo el nodo 12 no puede actuar como coordinador, el 11 no lo puede hacer como rooter y el 10 no lo puede actuar como gateway.
Un nodo puede realizar las labores de maestro/concentrador o esclavo/spot. Los nodos maestros/concentradores son aquellos encargados de gestionar a otros dispositivos de la red. En este caso los nodos maestros son los nodos router 10 Y coordinador 11, los encargados de transportar los datos de una manera mas fluida y rápida hacia los nodos gateway 9 y de este modo, si en un momento dado otro nodo maestro se colapsase o simplemente no funcionara, el resto de nodos maestros recogerían la información de los nodos adyacentes. O si se incorporase un nodo esclavo nuevo y momentáneo, el nodo maestro trasportaría su información rápidamente sin reconfigurarse. Un nodo esclavo/spot es aquel que actúa como dispositivo final, en este caso el nodo final 12.
El nodo gateway 9 dispone de la interconexión necesaria para implementar protocolos Wi-Fi, Ethernet o GSM/GPRS.
El nodo esclavo o spot, encargado de controlar la luminosidad de las farolas a través del balasto dimeable, se trata de un nodo (o mota) Zigbee que posee un microcontrolador de gestión e incorpora a su vez una la placa de sensores 5 con interfaces 12C, SPI y EIA-232/EIA-485. La alimentación del dispositivo se realiza a través de una batería auxiliar para garantizar su funcionamiento autónomo. También podría realizarse por medio de placas solares si así se quisiera.
El nodo maestro o concentrador posee un microcontrolador de gestión para determinar el estado de funcionamiento y consumo. Incluye un interfaz de comunicación con el balasto, un conversor analógico-digital (DAC) y un conversor de nivel. También dispone de la posibilidad de interconexión vía: Ethernet, WiFi o GSM/GPRS. Al igual que el nodo esclavo los nodos concentradores también tienen incluida una placa de sensores 5 con interfaces 12C, SPI y EIA-232/EIA-485.
La alimentación que se utiliza en el nodo puede ser mixta: ACIDC y batería. Para la batería se ha diseñado e incorporado los circuitos de recarga necesarios. El nodo también podría alimentarse con placas solares. Se ha incluido también un controlador para la gestión de estado del funcionamiento y el consumo.
El sistema de gestión de luminarias presenta una arquitectura software por capas con funcionalidad bien diferenciada, según se muestra en la Figura 4:
- •
- Firmware: Se trata del software que va embebido en los dispositivos hardware del sistema de gestión de luminarias. Es la capa software de más bajo nivel del sistema y realizan tareas tan importantes como:
- o Comunicación con el balasto electrónico 2 embarcado en la luminaria 1.
- o Formación de la red ZigBee.
- o Comunicación entre los subsistemas de control de luminaria y subsistema ZigBee
- o Adquisición de datos a partir de los sensores instalados.
- o Transmisión y recepción de datos entre los diferentes nodos.
- o Comunicación con el exterior a través de los dispositivos coordinadores.
- •
- Middleware: Es el encargado de comunicarse con los dispositivos coordinadores y ofrecer un API con diferentes servicios para que éstos sean consumidos por la capa de gestión. Ofrece los siguientes servicios:
- o Control de luminaria: Comunicación con una luminaria o conjunto de luminarias con el objetivo de modificar su intensidad lumínica.
- o Mantenimiento de luminaria: servicio para comprobar el estado de una luminaria o un conjunto de ellas para comprobar su correcto funcionamiento.
- o Consulta de datos: es posible consultar los datos de los sensores embarcados en una luminaria o un conjunto de ellas.
• Software de gestión: es la capa de presentación o de usuario y proporciona al usuario final la interfaz de comunicación con las luminarias. Hace uso de los servicios ofrecidos por el middleware proporcionando al usuario un entorno web intuitivo y sencillo de usar. Se trata de una capa software de alto nivel constituido por una interfaz web de forma que puede controlarse desde cualquier lugar, presentado las siguientes funcionalidades: -Control de una luminaria o un conjunto de luminarias: El usuario puede acceder de forma remota a una o varias luminarias y controlar la intensidad lumínica o consultar los datos de los sensores que la luminaria tiene instalados. -Mantenimiento de una luminaria: El usuario puede consultar el estado de una luminaria, y comprobar si ésta está funcionando de forma correcta. -Creación de un perfil de luminosidad: la aplicación ofrece la posibilidad al usuario de establecer un perfil de luminosidad concreto según la zona lo requiera, de tal forma que se puedan establecer tantos perfiles como se desee y asignárselo a un grupo de luminarias.
- -
- Asignación de un perfil de luminosidad a un conjunto de luminarias.
- -
- Consulta de datos históricos.
- -
- Programación de parámetros de ahorro energético. Se definen
perfiles de ahorro en función de señales de entradas o perfiles
estad ísticos.
- -
- Histórico temporal para poder realizar un mantenimiento
preventivo en las luminarias: consumo de potencias, aviso de
sustitución, conmutación, horas de iluminación restantes, información
de la potencia conectada, etc.
- -
- Sistema de alarmas por posible sobreconsumo, necesidad
cambio luminaria, fallo luminaria, etc.
- -
- Elaboración de informes.
- -
- Control de información en tiempo real.
Los nodos están programados para poder actualizar el firmware de forma remota, posee de la pasarela necesaria para la comunicación entre la red Zigbee y los protocolos de comunicación GPS/GPRS, Ethernet o WiFi.
Los nodos forman una red mesh o red mallada, que permite que interactúen entre unos nodos con otros. Esta comunicación son de muy bajo consumo del orden de pico amperios. Para ello se ha programado todas las necesidades en el software de gestión: control de entradas/salidas, gestión mensajes, generación tramas de comunicación para el spot RF, definición y modos de operación gestión del reloj para el envido de datos, etc.
Todo el flujo de información que se genera entre los diferentes nodos está encriptada y protegida para evitar intrusiones o manipulaciones de los datos.
La Figura 5 muestra un diagrama de flujo del funcionamiento del sistema, en el que el usuario controla el sistema a través del software de gestión incluido en el servidor, mediante el cual puede acceder a la red de dispositivos y los distintos nodos del sistema.
Otro punto innovador de este sistema radica en el amplio abanico de aplicaciones que pueden desarrollarse, desde el simple control de la iluminación de las farolas hasta la posible interactuación con elementos que puedan encontrarse alrededor de las farolas, como pueden ser; vehículos, peatones, mobiliario, etc. Todo depende del entorno en que quiera utilizarse o la funcionalidad que quiera darse al
sistema. El hecho de poder integrar todo tipo de sensores 7 dota al sistema de una
gran versatilidad y un amplio campo de actuación.
Con el presente sistema es posible crear ciudades inteligentes donde los elementos base sean las farolas o luminarias 1 y los dispositivos integrados en ellas: placa sensores, placa de comunicación, balasto electrónico y su correspondiente software de gestión. De esta forma se puede formar una red de comunicaciones inalámbrica para crear entornos interactivos inteligentes a lo largo de la ciudad. Para ello se incorporaran diferentes sensores 7 que dotan a la placa de comunicaciones de distintas funcionalidades para llevar a cabo la empresa.
Las aplicaciones que pueden realizarse una vez creada la red inalámbrica son los siguientes:
- •
- Contaminación acústica. Señal de ruido en la población (sonometría).
- •
- Control de tráfico (contador de vehículos).
- •
- Gestión de aparcamiento inteligente.
- •
- Control de contaminación.
- •
- Control de radiación solar.
- •
- Control de elementos meteorológicos (pluviómetros, dirección y intensidad del viento, frecuencia, intensidad y densidad(para verificar si es lluvia, nieve) de la lluvia o nieve).
- •
- Control de temperatura y humedad.
- •
- Detección de presencia, por ejemplo en los pasos de peatones.
- •
- Recogida de basuras. Posibilidad de trazar una ruta óptima según estén los contenedores llenos.
- •
- Control de agua en jardines.
- •
- Control de personas (el sistema se puede implementar para el control de personas enfermas. teleasistencia).
- •
- Posibilidad de recarga de coches eléctricos.
- •
- Opción de incorporar publicidad, tanto privada como partes del ayuntamiento o entidades oficiales.
Claims (5)
- REIVINDICACIONES1.-Sistema de gestión de luminarias en entornos urbanos, caracterizado por que comprende, en cada luminaria (1) gestionada por el sistema:
- -
- un balasto electrónico (2) para el control de la intensidad lumínica de la luminaria (1);
- -
- un módulo de comunicaciones inalámbrico (4);
- -
- una placa de sensores (5) encargados de recibir la señal de al menos un sensor (7);
- -
- medios de procesamiento de datos (6) encargados de:
• recibir la información proveniente de la placa de sensores (5);• comunicarse con el módulo de comunicaciones inalámbrico (4) para, al menos, recibir órdenes de control del balasto electrónico;• controlar el balasto electrónico (2) en función, al menos, de lasórdenes de control recibidas; por que las distintas luminarias (1) del sistema forman una red de nodos inalámbrica accesibles mediante su módulo de comunicaciones inalámbrico (4), comprendiendo dicha red de nodos:- -
- un nodo gateway (9) encargado de comunicar la red de nodos inalámbrica con un elemento de control externo a la red;
- -
- al menos un nodo coordinador (11), cada uno encargado de generar una subred (13) y controlar las luminarias (1) que componen dicha subred (13);
- -
- una pluralidad de nodos finales (12), estando cada uno englobado en una subred (13) y subordinado al nodo coordinador (11) correspondiente; y por que adicionalmente el sistema comprende un servidor (8) configurado para controlar y acceder a los distintos nodos de la red de nodos a través del nodo gateway (9).
- 2.-Sistema de gestión de luminarias en entornos urbanos según la reivindicación 1, donde el módulo de comunicaciones inalámbrico (4) de cada luminaria (1) es un módulo Zigbee, siendo la red de nodos inalámbrica una red ZigBee.
- 3.-Sistema de gestión de luminarias en entornos urbanos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada luminaria (1) dispone de un sensor deintensidad lumínica (7) conectado a la placa de sensores (5).
- 4.-Sistema de gestión de luminarias en entornos urbanos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la red de nodos comprende adicionalmente al 5 menos un nodo router (10) encargado de redireccionar mensajes hacia otros nodos dela red.
- 5.-Sistema de gestión de luminarias en entornos urbanos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la red de nodos inalámbrica comprende10 adicionalmente al menos un nodo final (12), englobado en una subred (13), que está instalado en otro tipo de mobiliario urbano diferente a las luminarias (1) Y que dispone de un módulo de comunicaciones inalámbrico.
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2384854 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20130520 |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
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