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Universidad de la Salle. Céspedes, Camila1.,Beltran, Diana2 y Perez, Diego3.

Resumen—En la actualidad, un consumo extra de energía eléctrica en los hogares colombianos es generado gracias a los dispositivos eléctricos o electrónicos conectados a la red eléctrica. Esto produce un sobrecosto en las facturas de los usuarios. Para reducir estos costos, y además reducir emisiones de gases de efecto invernadero, se diseñará y se implementará un sistema de monitoreo para el consumo de energía eléctrica para hacer caer en cuenta a los usuarios de cuánta energía está siendo desperdiciada debido a los diferentes elementos conectados a la red eléctrica.

Índice de Términos— domótica, arduino, consumo, energía, hogar.

I.NTRODUCCIÓNEl objetivo de este proyecto es proponer un diseño de un

sistema que monitoree cuántos kilovatios consume un hogar en tiempo real. Para llevarlo a cabo, cinco sensores serán requeridos para medir el consumo eléctrico que está siendo utilizado por los elementos conectados a la red. Estos datos, obtenidos por los sensores serán transmitidos a un módulo de comunicación, para ser salvados y administrados en una base de datos, conectado a un teléfono celular con el objetivo final de supervisar y monitorear los kilovatios consumidos y su equivalencia en dinero y kilogramos de dióxido de carbono emitidos, en tiempo real. En este momento, se estudia la posibilidad de probar e implementar el sistema en el proyecto “Barrio Digital Minuto de Dios”, en el barrio Minuto de Dios, en el noroccidente de la ciudad de Bogotá, Colombia.

II. MARCO REFERENCIAL

En esta sección se presenta la información histórica del consumo de energía eléctrica a nivel residencial en el país en un periodo de tres décadas, así como algunos datos de generación y demanda en de la electricidad en Colombia.

5.1.1 Generación y demanda de la energía eléctrica de Colombia en el 2010

En el 2010, la generación de energía eléctrica en Colombia fue de 56.887,6 GWh, un 1,6% más que el año anterior (55.965,6 GW) y la demanda en este mismo año fue de 56.147,6 GWh debido al alto consumo en el sector residencial ocasionado por las altas temperaturas generadas por el Fenómeno del Niño y además por el incremento en la demanda (Ministerio de Minas y Energía, 2011).

5.1.2 Balance del consumo de energía en el sector residencial colombiano en el periodo de 1975 a 2006: Diferentes entidades aseguran que el consumo de energía, tanto a nivel urbano como a nivel rural, ha incrementado en las últimas 3 décadas.

De antemano, el Ministerio de Minas y Energía menciona las fuentes posibles de las que se pueden obtener energía y que se encuentran en las residencias urbanas y rurales colombianas. Desde el año 1975 en los hogares colombianos se ha obtenido diferente clase de energía a partir del gas natural, carbón mineral, leña, electricidad, GLP (gas licuado de petróleo), gasolina motor, kerosene y carbón leña. En estas 3 décadas se puede observar un crecimiento aproximado del 11% del consumo energético en las residencias colombianas (de 44600 Tcal en 1975 a 49624 Tcal en 2006) donde se incrementó el uso de energías como el gas natural y la electricidad en las residencias urbanas y decreció la gasolina motor y el kerosene, mientras que en las residencias rurales hubo un decrecimiento general de consumo energético donde se evidencia que su fuente principal, la leña, reduce su participación a la mitad pero continúa siendo el principio energético mayoritario, y donde la electricidad aumenta su nivel como opción para los hogares en zonas rurales.

Hablando del conjunto total de residencias urbanas y rurales colombianas, el gas natural presentó el mayor crecimiento con una tasa promedio anual del 27%, seguida a lo lejos por la electricidad con un 4,7%. Este

Premio Colombiano de Informática ACIS 2011

Monitoring system for the consumption of electric energy in a household

Céspedes, Camila1.,Beltran, Diana2 y Perez, Diego3.Universidad de la Salle

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vasto crecimiento coloca al gas natural en la segunda energía más consumida en las residencias urbanas y en la tercera en las rurales, mientras que la electricidad mantiene la primera posición en las urbanas, y así mismo comparte ese mismo lugar en los hogares rurales con la leña. (Ministerio de Minas y Energía, 2007)

Ahora, desde un punto a nivel de energía eléctrica y no residencial, es decir, per capita, la CEPAL entrega un documento sobre la cantidad de kilovatios hora que consume un habitante al año, donde se puede ver el incremento del consumo desde el año 1970 hasta el 2006. En la época actual más cercana, el promedio de kilovatios hora consumidos por un ciudadano latinoamericano y del caribe es de 1688.1kWh, siendo el chileno el que más consume electricidad con 3081.3kWh, y el menor consumidor es el haitiano, con apenas 36kWh. El colombiano promedio se ubica en la parte baja de la tabla de consumo con 892.5kWh, demostrando que en comparación con los demás ciudadanos latinoamericanos consume mucha menor electricidad que la mayoría de países de América Latina y del Caribe, y que su consumo está muy por debajo del promedio (CEPAL, 2008) independientemente de la demanda que tenga.

III. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO

La metodología consiste en varias tareas, comenzando por la documentación de variables, instrumentación y métodos para llegar a la solución, la implementación de diferentes etapas del sistema, como la selección del módulo de comunicación, base de datos, etapa de potencia, etc., siendo estas tareas una derivación de los anteriores objetivos.

9.1 Análisis de los nodos de consumo:La primera parte de la metodología se centra en la selección de los dispositivos eléctricos y/o electrónicos que serán monitoreados, para que la instrumentación seleccionada posteriormente sea capaz de monitorear y medir.

Estudio del entorno: Las variables y los nodos de consumo para ser tratados se identificarán, así como el entorno en general donde los sensores serán colocados.

Selección de sensores: De acuerdo a los sensores mencionados en el Estado del Arte y con algunos otros no incluidos, se realizará una

comparación entre ellos, teniendo en cuenta versatilidad, confiabilidad, costo, funcionalidad y robustez del sensor.

Prueba de sensado: Verificación y confirmación que los sensores, los cuales han sido colocados en los elementos a medir, funcionen correctamente.

9.2 Etapa de potencia:En esta fase, las señales medidas que provienen de los sensores son ajustados, así mismo la transmisión y recepción de las mismas.

Análisis de las señales provenientes del sensor: El estudio de las características de las señales enviadas por cada sensor.

Amplificación y tratamiento de las señales: El tratamiento de señales del sistema para que se pueda interpretar sin error.

Transmisión y recepción de datos: Un estudio y análisis se hacen sobre las diferentes tecnologías a ser implementadas para lograr la transmisión sin cables y la recepción del dato.

Diseño del protocolo de comunicación: Diseño del sistema de comunicación para la interpretación y la manipulación de los datos.

9.3 Sistema de información:Acá se implementa una pequeña visualización del consumo gastado en un celular

Códigos implementados:

A. Conectar a la red

Por medio del programa Arduino se implementó el siguiente código para realizar la conexión a la red.#include <SoftwareSerial.h>SoftwareSerial BT1(2, 3); // RX | TX

void setup() { Serial.begin(9600); BT1.begin(9600); }

void loop() { String B= "." ; if (BT1.available())


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{ char c = BT1.read() ; Serial.print(c); } if (Serial.available()) { char c = Serial.read(); BT1.print(c); }}

B. Sensor efecto hall

#include <SoftwareSerial.h> float var=0; float y=0;SoftwareSerial esp8266(2,3); // RX is pin 2, TX Arduino line is pin 3.#define DEBUG true

void setup(){ Serial.begin(9600); esp8266.begin(9600);

sendData("AT+RST\r\n",2000,DEBUG); // rst sendData("AT+CWMODE=3\r\n",1000,DEBUG); // access point sendData("AT+CIFSR\r\n",1000,DEBUG); // get ip address sendData("AT+CIPMUX=1\r\n",1000,DEBUG); // configure for multiple connections sendData("AT+CIPSERVER=1,80\r\n",1000,DEBUG); // turn on server on port 80} void loop(){var=analogRead(A5);y=(0.0049*var)+(0.0097); if(esp8266.available()) // check if the esp is sending a message { if(esp8266.find("+IPD,")) { //Temp readout float x=y; // Serial.println(var); Serial.println(var); Serial.println(var); Serial.println(var); Serial.println(var); Serial.println(x); delay(100);

int connectionId = esp8266.read()-48; // subtract 48 because the read() function returns // the ASCII decimal value and 0 (the first decimal number) starts at 48 // '0' - 48 = 0 // '1' - 48 = 1 String webpage = "<head><meta http-equiv=""refresh"" content=""10""></head>"; webpage+="<h1>Corriente</h1><h2>"; webpage+= x; webpage+="</h2>"; String cipSend = "AT+CIPSEND="; cipSend += connectionId; cipSend += ","; cipSend +=webpage.length(); cipSend +="\r\n"; sendData(cipSend,500,DEBUG); sendData(webpage,500,DEBUG); String closeCommand = "AT+CIPCLOSE="; closeCommand+=connectionId; // append connection id closeCommand+="\r\n"; sendData(closeCommand,500,DEBUG); } }} String sendData(String command, const int timeout, boolean debug){ String response = ""; esp8266.print(command); // send the read character to the esp8266 long int time = millis(); while( (time+timeout) > millis()) { while(esp8266.available()) { // The esp has data so display its output to the serial window char c = esp8266.read(); // read the next character. response+=c; } } if(debug) { Serial.print(response); } return response;}

IV. RESULTADOS OBTENIDOS

A. Sensor ACS712

El único sensor de corriente en el mercado es el


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ACS712, que se puede encontrar en 3 versiones: para máximo 5, 20 o 30 amperios. Las siguientes pruebas se realizaron con la versión de 5A, tanto con medición directa del sensor al Arduino como con etapa de acondicionamiento de la señal.

Tabla 1. Medición directaCorriente (A) Voltaje AC (V)0,535 0,01051,02 0,01311,514 0,02912,013 0,0622,508 0,11423,001 0,18343,512 0,2884 0,40284,5 0,5634,8 0,659

Grafica 1. Medición directa de corriente

En esta gráfica se aprecia una respuesta no lineal.

El sensor no es fiable para mediciones de corrientes por debajo de 1,5A. Aplicando una corrección polinomial, se obtiene una ecuación de 3r grado.

Ya conectado el sensor al Arduino, se realizó la relación entre bits con el voltaje a la entrada análoga en el tiempo, con muestras cada 100ms:

Grafica 2. Relación de bits a 0.0105VAC.





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Como la señal aun se ve distrocionada o no se alcanza a ver rectificada, se procede a aumentar la corriente como se muestra en las sigueintes graficas con relacion a los bits.






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En las anteriores gráficas se puede evidenciar que la señal se hace cada vez mejor a medida que se va aumentando la corriente.

B. Amplificador LM358

El circuito integrado LM358 está compuesto por 2 amplificadores operacionales en su interior. No requiere fuente dual (Sin embargo con fuente sencilla no es posible que la salida obtenga voltajes negativos. El voltaje de alimentación varía entre 3V a 32V. Tiene un bajo consumo de potencia; el ancho de banda típico es de 1 MHz, al igual esta compensado en frecuencia internamente.

Este encapsulado se utilizó para amplificar la señal de voltaje. Se implementó el siguiente circuito.

Figura 1. Circuito amplificador de voltaje.

Al igual se realizaron las siguientes pruebas donde se varió la corriente con la intensidad de la luz que dan los bombillos de 100 W y para acondicionar la señal.

Tabla 2. Medición acondicionamiento de la señal. Voltaje mA

0,004 10,0049 5300,0076 10250,0228 15000,0549 19970,104 24970,185 29980,297 35200,44 40100,622 45000,833 4950

La grafica que se obtuvo muestra que a medida que se varía y aumenta la cantidad de bombillos de 100W y 25W, se aumenta el flujo de corriente.

Grafica 10. Acondicionamiento de la señal.

A pesar del acondicionamiento, no se mejora el sistema. Sigue siendo no lineal e ineficiente a bajas corrientes.

Ya conectado el sensor al Arduino, se realizó la relación entre bits con el voltaje a la entrada análoga en el tiempo, con muestras cada 100ms:


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Grafica 11. Acondicionamiento de señal a 0.0076VAC.








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Con el circuito acondicionador se logró retirar la parte negativa de la onda, y darle un poco más de amplificación a la señal. En las gráficas se aprecia el valor pico que tiene la onda en corriente traducida en bits, los cuales se debe hacer el cálculo para obtener la corriente RMS o efectiva.

V. CONCLUSIONES

Se Determinaron los puntos eléctricos y dispositivos eléctricos y/o electrónicos que intervienen en el sistema.

Seleccionamos el sensor para la medición del consumo de energía eléctrica.

Se logró probar el sistema de monitoreo en tiempo real.


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