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Grado en Ingeniería Informática Trabajo Fin de Grado Autor: Sara Ivars Bañuls Tutor: Higinio Mora Mora Septiembre 2018

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Grado en Ingeniería Informática

Trabajo Fin de Grado

Autor:

Sara Ivars Bañuls

Tutor:

Higinio Mora Mora

Septiembre 2018

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Humans are allergic to change.

They love to say,

‘We've always done it this way.’

I try to fight that.

That's why I have a clock on my wall

that runs counter-clockwise.

Grace Hopper

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1. Introducción ..................................................................................................... 1

2. Estado del arte ................................................................................................. 6

2.1. Desarrollo científico ........................................................................................ 6

2.2. Soluciones comerciales.................................................................................. 10

2.3. Tecnologías .................................................................................................... 13

2.3.1. Protocolos de comunicación ...................................................................... 13

2.3.2. Detección inteligente ................................................................................. 14

2.3.3. Singularidades y problemas por resolver ................................................... 16

3. Especificación del problema .......................................................................... 18

3.1. Punto de vista del peatón ............................................................................... 19

3.2. Punto de vista del vehículo ............................................................................ 20

4. Arquitectura propuesta .................................................................................. 22

4.1. Componentes de la arquitectura .................................................................... 23

4.2. Implementación ............................................................................................. 27

4.3. Modalidades de detección ............................................................................. 28

4.3.1. Modalidad A .............................................................................................. 28

4.3.2. Modalidad B .............................................................................................. 29

4.3.3. Modalidad C .............................................................................................. 30

4.3.3.1. Rol cámara.............................................................................................. 31

4.3.3.2. Rol nube ................................................................................................. 32

5. Experimentación y análisis ............................................................................ 34

5.1. Experimentación ............................................................................................ 34

5.2. Análisis .......................................................................................................... 38

5.3. Proyección del ahorro en una ciudad pequeña .............................................. 43

6. Conclusiones .................................................................................................. 53

6.1. Conclusiones del resultado ............................................................................ 53

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6.2. Conclusiones personales ............................................................................... 54

6.3. Futuro trabajo ................................................................................................ 55

Referencias .............................................................................................................. 57

Tablas y figuras ....................................................................................................... 60

ANEXO ................................................................................................................... 61

Código ..................................................................................................................... 61

Plano Benissa .......................................................................................................... 63

Datos urbanísticos Ayuntamiento Benissa .............................................................. 66

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Las ciudades actualmente prestan cada vez más importancia a la iluminación de sus

calles, plazas y/o sitios públicos como forma de conseguir ahorros económicos y energéticos

para adecuar los espacios y así conseguir determinados efectos sensoriales (calidez, resaltar

algún aspecto mobiliario urbano, reducir la contaminación lumínica, etc.), a través de las

luminarias.

El principal impulso para este cambio se debe a varios factores, el rápido índice de

urbanización en curso, los crecientes problemas de movilidad, los costes de energía y, más

recientemente, la desaceleración económica global. Estos factores afectan seriamente a los

parámetros de crecimiento claves: económico, social y medioambiental.

Estas medidas están incluidas en los objetivos que nos llevarán a un mundo mejor, a un

mundo sostenible, donde se requiere que haya un equilibrio entre nuestra especie, los

humanos, con los recursos de nuestro entorno. Además, cabe destacar que la sostenibilidad

consiste en la satisfacción de las necesidades de la actual generación, sin llegar a sacrificar

la de futuras generaciones. En los últimos años, los expertos han vaticinado que el modelo

de desarrollo mundial actual es insostenible. De este modo, si no se cumplen estos objetivos

antes de una fecha establecida, se corre el riesgo de condenar a millones de personas a una

vida de pobreza. [10] Es por ello por lo que uno de los retos más importantes es, plantear

una sociedad donde contribuya a un desarrollo humano ambiental y socialmente sostenible.

Para concienciar a la humanidad se plantearon, mediante las Naciones Unidas (ONU),

objetivos globales que deben alcanzarse en los próximos 15 años. Estos fueron llamados los

17 Objetivos de Desarrollo Sostenibles (ODS). [1] La ODS espera poder cumplir estos

objetivos: la erradicación de la pobreza extrema, combatir la desigualdad y la injusticia y

solucionar el cambio climático para todos los países y para todas las personas. Estos

objetivos son metas alcanzables por todos, tanto por gobiernos, entidades privadas o por la

sociedad civil.

Al analizar todos los objetivos en la ODS, será determinante detallar los siguientes

objetivos ya que están relacionados con la finalidad de este proyecto, tener una iluminación

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inteligente urbana mejorando así la calidad, seguridad, economía y además ayudar a

contrarrestar el cambio climático.

Se seguirán por orden los objetivos para relacionarlos con los objetivos finales del

proyecto haciendo hincapié en sus puntos más destacables o verosímiles con los objetivos

de un sistema de iluminación inteligente urbano.

Los objetivos para detallar son los siguientes:

o Objetivo 7: Garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y

moderna para todos. [2]

Este objetivo en especial tiene varios requisitos en especial, que estarán relacionados

con el proyecto, donde se quiere cumplir para 2030 el aumento sustancial del porcentaje de

energía renovable, duplicar la tasa mundial de mejora de la eficiencia energética y la

ampliación de infraestructuras y mejoría de la tecnología para prestar servicios de energía

modernos y sostenibles para todos los países, en especial para los menos desarrollados.

Principalmente con una inteligencia lumínica obtendríamos el cumplimiento de energía

renovable y una mejora en la eficiencia energética destacable.

o Objetivo 9: Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización

inclusiva y sostenible y fomentar la innovación. [3]

En este objetivo tendremos dos puntos a destacar, el desarrollo de infraestructuras

fiables, sostenibles, resilientes y de calidad para conseguir un desarrollo económico y un

bienestar humano equitativo para todos. Además, mejorar la infraestructura existente,

usando los recursos con mayor eficacia y promoviendo la adopción de tecnologías y

procesos limpios y ambientalmente racionales. Con una iluminación inteligente urbana

estaríamos ayudando a la obtención de estos dos puntos, creando una infraestructura

sostenible, fiable y de calidad con el fin de que los recursos que sean utilizados brinden

mayor eficacia y promueva la adaptación a nuevas tecnologías.

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o Objetivo 11: Lograr que las ciudades y los asentamientos humanos sean inclusivos,

seguros, resilientes y sostenibles. [4]

Con el objetivo 11 cumpliremos la seguridad vial en nuestras calles y ciudades,

cumpliendo así varios de los puntos que se detallan de la siguiente forma. Para 2030

quieren proporcionar la mejora de la seguridad vial, obtener espacios públicos seguros

para todas las personas, apoyar vínculos económicos, sociales y ambientales positivos

entre zonas urbanas, periurbanas y rurales. Es por ello por lo que la iluminación

inteligente brindara una seguridad al ciudadano.

o Objetivo 13: Adoptar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus

efectos. [5]

Con el proyecto sobre una iluminación inteligente ponemos en práctica el punto

donde se tiene compromiso por mejorar y sensibilizar a los humanos sobre el cambio

climático, cumpliendo el objetivo de mejorar la eficiencia energética y ayudar en la

disminución de contaminación lumínica.

Después de detallar todos estos objetivos, podremos decir que con una infraestructura

de iluminación dotada de inteligencia podremos contribuir a cumplir estos objetivos

fechados el 25 de septiembre de 2015 por la ONU.

Seguidamente, los objetivos anteriormente citados, nos llevan a introducir dos

conceptos dependientes entre sí. Uno de ellos es la eficiencia energética que consiste

en optimizar los procesos de producción de energía, así como su empleo, siendo

utilizado lo mismo o menos para producir más. Es decir, producir más con menos

energía. Su fin no es el ahorro eléctrico, sino iluminar de forma mejorada consumiendo

menos electricidad. Actualmente la eficiencia energética es el área con más potencial,

como anteriormente hemos visto, para luchar contra el cambio climático.

De ahí llegamos al siguiente concepto, la energía sostenible. Esta se puede definir

como aquella energía capaz de satisfacer las necesidades presentes sin comprometer los

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recursos y capacidades de las futuras generaciones. Es decir, estaría compuesta de

energías renovables y alternativas, además de la energía de fusión. [6]

Es más, un estudio realizado sobre el alumbrado de ciudad revela que una de las

principales preocupaciones que requieren una respuesta rápida es la reducción del gasto

público. Una parte importante de este gasto se debe a la factura de la energía, de la que

el alumbrado público representa el 40%. [7] Mediante la combinación de bombillas

LED y sistemas de control es posible conseguir un ahorro energético de hasta el 85%

en comparación con instalaciones equipadas con fuentes de luz tradicionales. [8]

Un ejemplo práctico de este ahorro se puede ver en la ciudad de Barcelona. El

ayuntamiento de Barcelona, ciudad que se sitúa en el puesto 26 según IESE Cities in

Motion, [9] ha decidido implantar un sistema de alumbrado inteligente en algunas de

sus calles como la “Avenida Josep Tarradellas”, la “Vía Láctea” y la calle “Guerau de

Liost”, para maximizar el ahorro energético y reducir las emisiones a la atmosfera. En

este caso, el ayuntamiento decidió regular los niveles de iluminación al 30% cuando las

calles están vacías, volviendo al 100% de intensidad cuando se detecta presencia

humana, proporcionando un ahorro estimado superior al 80%. [8]

Así mismo, las luminarias inteligentes pretenden integrar inteligencia en las nuevas

ciudades para así facilitar la administración de estas y poder abastecer nuevos lugares

hacia las nuevas tecnologías. Con las luminarias tradicionales, los servicios públicos

carecen de poder de decisión más allá de establecer un horario estático de apagado y

encendido y el reemplazo de bombillas rotas cuando estas ya fallan.

Por lo tanto, dado que las luminarias se encuentran por toda la ciudad, la red de malla

que forman puede proporcionar una infraestructura de red para la comunicación, siendo

así de bajo coste para futuros sensores de ciudad inteligente y dispositivos de internet

de las cosas.

Finalmente, el objetivo de este trabajo es el estudio y la planificación de un sistema

de iluminación inteligente en un entorno urbano para dotar de seguridad vial, seguridad

personal, mejorar la eficiencia energética, la reducción de contaminación lumínica y la

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reducción de costes en facturas y el ahorro energético para la contribución a un mundo

sostenible. En este caso se dotará una calle peatonal de 40 luminarias repartidas

estratégicamente a ambos lados de la calzada, con una disposición de tresbolillo, [29]

además proveerá de computadores de placa reducida y de cámaras de vigilancia para

poder abastecer de forma segura la proporción de intensidad lumínica cuando el peatón

y/o vehículo estén recorriendo dicha calzada. Adicionalmente, esta infraestructura

podrá ser ampliable y reestructurada en un futuro, para dotar de nuevas funcionalidades

que brinden o mejoren los objetivos actuales. Con estas luminarias y el dote de

inteligencia, demostraremos que la iluminación inteligente es un paso más allá de las

luminarias actuales, siendo beneficiosa para la economía de las ciudades y para el

bienestar de sus habitantes. Además, con este cumplimiento de objetivos estaremos

contribuyendo a la aprobación de los objetivos marcados en los ODS por la ONU,

donde recientemente España ha sido calificada negativamente no habiendo superado

ninguno de los 17 objetivos. [50-51-52]

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En el apartado del estado del arte se introducirán estudios previos sobre el avance en la

materia del alumbrado urbano público en las ciudades inteligentes, dando a conocer artículos

de revistas científicas y conferencias que han sido de gran interés para el desarrollo del

proyecto. Además, se enunciarán soluciones comerciales halladas en el mercado,

describiendo estas tecnologías vanguardistas, que han sido de utilidad para el proyecto. Estas

tecnologías y soluciones comerciales obtienen la misma finalidad detallada en la

introducción de este proyecto, es decir, llegar a una iluminación inteligente que proporcione

un entorno urbano sostenible, y por ende un mundo sostenible.

Para poder llegar a soluciones que nos lleven a una ciudad inteligente y un mundo

sostenible, se hablará de diferentes conferencias, donde tratan a través del ámbito de la

industria tecnológica y medioambiental los problemas del mundo actual mediante las

infraestructuras dotadas de inteligencia, basadas en el término IoT (internet de las cosas o

Internet of Things). Podremos decir que el internet de las cosas está basado en la

interconexión de cualquier producto, cosa u objeto con cualquier otro de su alrededor. Es

decir, dotar de conexión de red a cualquiera de los dispositivos, para así conseguir que se

comuniquen entre sí, por consiguiente, sean más independientes e inteligentes. Es así como

conseguimos que las luminarias urbanas interactúen con los ordenadores centrales. Además,

esto dotará a la ciudad el término de ciudad inteligente.

Partiendo de estos términos y con una motivación de mejorar tanto la economía como el

ahorro energético, y el medioambiente, se incrementan las investigaciones científicas sobre

vías públicas dotadas de inteligencia en conferencias relacionadas con la materia. Se

explicará la mejora de las ciudades inteligentes gracias a la tecnología basada en IoT, hasta

llegar al punto donde esa mejora sucede por dotar de inteligencia las vías urbanas, respecto

a la iluminación urbana.

Una de las primeras conferencias que será de interés sobre el termino IoT será el

presentado en la 11th UCAml (Ubiquitous Computing and Ambient Intelligence). Donde se

propone un modelo de colaboración y una arquitectura para aprovechar los recursos

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informáticos disponibles. Haciendo así que las ciudades inteligentes tengan una arquitectura

mejorada a la actual. Esta arquitectura resultante implica un nuevo diseño de red con

diferentes niveles que combina capacidades de detección y procesamiento basadas en el

paradigma de Mobile Cloud Computing (MCC). Los resultados muestran la flexibilidad de

la arquitectura para realizar tareas computacionales complejas de aplicaciones avanzadas.

[44]

En la sexta edición de la UCAml (Ubiquitous Computing and Ambient Intelligent) se

presenta un sistema inteligente de gestión de alumbrado público basado en lamparas led,

diseñado para facilitar el despliegue en instalaciones existentes. Tendrán en cuenta, las

instalaciones ya desplegadas y dotaran de inteligencia con un enfoque de comunicación

inalámbrica, además abordaran el sistema a cada condición ambiental con reglas que

aprenderán finalmente una dinámica. Esta instalación proporciona soluciones tangibles para

reducir el consumo de energía y el mantenimiento de las instalaciones. [31]

Otras de las soluciones experimentales que se han propuesto en la conferencia Smart

Grid Technologies, trata de dotar de una red IP y sensores al alumbrado público para así

reducir el consumo de electricidad y el mal uso o el derroche de la energía utilizada, sobre

todo en las horas nocturnas. Estos sensores, se comunican entre los sensores vecinos para

poder dotar de inteligencia y así conseguir que la red se ilumine por sí sola mediante la

comunicación e infraestructura construida. Otro de los temas tratados que también es

considerado como llamativo, es tener en cuenta las condiciones del ciclo lunar, para no hacer

un uso indebido de la energía durante estos días específicos. [32]

En el pasado evento de IES Street and Area Lighting Conference se introdujeron varios

temas relacionados sobre las infraestructuras de alumbrado público. Uno de los temas más

destacable fue la sesión dada por un investigador de Senseable City Lab, un departamento

del MIT (Massachusetts Institute of Technology), donde se mostraría como a través de la

integración de sensores digitales y tecnologías de comunicación y procesamiento, podrían

reutilizar características únicas de las farolas hasta llegar a evolucionarlas de tal modo que

sirvieran como fuentes de información y conocimiento urbano para crear un sistema urbano

del siglo XXI. Este nuevo tipo de infraestructura seria de naturaleza multifuncional y

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recentraría el valor de las luminarias de fotones a bit, creando así una nueva dimensión de

valor para las ciudades, empresas y los usuarios en general. [33]

Por otra parte, hoy en día se publican revistas científicas donde se escriben artículos de

investigación, dando a conocer así los trabajos que mejoraran el ecosistema de luminarias

urbanas.

Una de las primeras publicaciones que es destacable para el termino de ciudad

inteligente, sería el artículo de la revista International Journal of Design & Nature and

Ecodynamics. Donde se explica que el progreso tecnológico de la difusión de las TIC

(Tecnologías de la información y la Comunicación) acerque a los ciudadanos a una mejora

de la calidad en la satisfacción de las necesidades reales en los entornos urbanos. Este

artículo se centra en mejorar el sistema de acceso a transportes, dando conocimiento del

nivel de accesibilidad de personas con discapacidades a la sociedad. Con este articulo se ve

la importancia de dotar las ciudades de inteligencia, con tecnología basada en el término IoT,

para ir mejorándolas hasta un mundo sostenible. [42] Se trata de una ampliación del artículo

anteriormente, el publicado en NCBI (National Center for Biotechnology Information),

donde explica el sistema para analizar la experiencia del usuario urbano y la accesibilidad al

movimiento, lo que permite la identificación precisa de las barreras urbanas y el monitoreo

de su efectividad en el tiempo. Por lo tanto, el objetivo principal del sistema es satisfacer las

necesidades y los requisitos reales de las personas con discapacidades motrices. [43]

Siguiendo con el termino de IoT, se encuentra también el artículo publicado en la revista

anteriormente citada, en que describe una amplia revisión del estado del arte de la

computación distribuida para sistemas IoT. Donde se propone una arquitectura distribuida

que combina la detección y el procesamiento en diferentes niveles de la red para compartir

la carga informática entre los dispositivos. Demostrándose en un caso simplificado que, el

modelo general y particular de IoT es posible implementarlo en cualquier área. [46]

Otro artículo relacionado con el interés de mejorar la salud y/o comodidad de los

ciudadanos con la IoT, es el publicado en Smart Sensor Networks and Technology for

Healthcare Monitoring and Decision Making. Se describe un marco distribuido basado en

el paradigma de internet de las cosas para monitorear señales biomédicas humanas en

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actividades que involucran esfuerzo físico. Las principales ventajas y novedades del sistema

propuesto es la flexibilidad en el cálculo de la aplicación de salud mediante el uso de recursos

de dispositivos disponibles dentro de la red de área corporal del usuario. Estas mejoras en la

sociedad marcan que la satisfacción aumente y ayude a conseguir un mundo mejor y

sostenible. [45]

Recientemente la revista IEEE Sensors Journal ha publicado un artículo de unos

investigadores que presentan un sistema para recopilar y analizar la información sobre la

infraestructura del alumbrado público. Consiste en desarrollar una plataforma de sensores

montada en un automóvil que permite la recopilación y el registro de datos de las luces

durante las horas nocturnas. De esta manera, con el algoritmo detallado pueden recopilar

datos para finalmente dotar de una iluminación vial en 3D que permita a los usuarios ser los

responsables de la toma de decisiones y optimización del alumbrado público. [34]

En la revista Energies, hace un par de años, presentaron un artículo sobre el impacto

económico al utilizar control dinámico en el alumbrado público, una infraestructura

modernizada. En el articulo se demuestra que el simple reemplazo de una bombilla

convencional a una bombilla LED no exprime todo el potencial de la fuente de luz con la

tecnología actual. Es por ello, que presentan varias opciones, desde programas que atenúan

la intensidad de las luminarias a través de algoritmos que tienen categorizados los días y las

condiciones ambientales, hasta una iluminación dinámica basada en sensores de intensidad

de tráfico, ayudado por unas reglas establecidas en un algoritmo. Dando como conclusión

que, gracias a la iluminación dinámica, se consume hasta 1/3 menos por LED. [35]

Por último, hay que destacar un artículo citado en ACM y, además presentado en la 20th

ACM international conference on Multimedia, donde explican una interacción real con la

iluminación interactiva en una plaza en Aalborg (Dinamarca). El experimento tomó 16

luminarias LED y tres cámaras de visión térmica. Estas dos herramientas unidas a un

software que analizaba la intensidad de movimiento y las trayectorias de los usuarios

consiguieron que los viandantes no se percataran de los cambios de intensidad según su

presencia o sus acciones tomadas al instante. Fue así como consiguieron establecer una

infraestructura dotada de inteligencia y dinamismo que facilitaba a los usuarios estar siempre

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bien iluminados y sin causar confusiones lumínicas y finalmente, además conseguir un

ahorro económico, siendo una diferencia del 92% entre ambos escenarios. [36]

Las primeras soluciones en el campo del ahorro energético en cuanto a la iluminación,

tanto interior como exterior, consistían en sistemas de control de iluminación. Un sistema

de control de iluminación es una solución de control basada en redes de comunicación entre

varios componentes, diseñado para regular un sistema de iluminación programado,

supervisado y gestionado desde uno o más dispositivos informáticos centrales. Los sistemas

de control en la iluminación funcionan para distribuir la cantidad adecuada de luz artificial

en el espacio y momento necesario, y son ampliamente utilizados tanto en interiores, como

exteriores en espacios residenciales, industriales o comerciales. [11]

Con el desarrollo de la domótica y el IoT (Internet of Things o Internet de las cosas)

este tipo de sistemas constituyen la base de la iluminación contemporánea y sin duda del

futuro más cercano. Además, el uso de energías alternativas y de las nuevas tecnologías de

iluminación [12-13], permiten obtener un considerable ahorro de energía. Dentro de las

tecnologías de iluminación, los diodos emisores de luz (LED) aseguran la posibilidad de

encender la lampara sin el precalentamiento típico de los halógenos con una eficiencia de

iluminación muy alta y un bajo consumo de energía. Esto conlleva a un tiempo de vida

superior y tiempos de conmutación rápidos no comparables a los de las tecnologías más

antiguas, ya que solo las luces incandescentes tienen un tiempo de iluminación menor, pero

con un consumo de energía mayor y una vida útil más corta.

Estas características innovadoras y el desarrollo de nuevas tecnologías permiten el

desarrollo de un nuevo sistema de control remoto basado en luminosas inteligentes a un

sistema de control central para simplificar los problemas de administración y

mantenimiento [12-13-14], utilizando también estrategias de diseño holístico y ascendente.

Dentro de estas investigaciones, un tema relevante es el uso de nuevas redes de sensores

y tecnologías de comunicaciones, tanto para gestionar localmente las luminarias, como las

redes de sensores, y para evitar datos hacia un centro remoto. [15] Así mismo como para

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regular mediante algoritmos las intensidades necesarias en diferentes instantes de tiempo

las luminosas. [16]

Basada en las mejores tecnologías, este proyecto describe una mejora para el usuario y

el ecosistema. A menudo estos están descuidados por los municipios y estas tecnologías no

están al abasto de los ciudadanos de a pie, aun teniendo una enorme relevancia social.

En el mercado encontramos diversos tipos de empresas donde se ofrece ampliamente

material suficiente para abastecer la ciudad. Por una parte, encontramos las empresas que

trabajan con las luminarias, es decir los postes y casquillos y además por otra parte hay

empresas que trabajan con el software embebido necesario para dotar de inteligencia estas

luminarias anteriormente citadas.

A continuación, se describen con una tabla las características más destacadas que se

encuentran en las diversas empresas vanguardistas en la adaptación inteligente para las

luminarias exteriores.

Tabla 1. Características físicas de las luminarias ofertadas en el mercado

Philips [37] Osram [41] Schreder [39] Roura [40]

Envolvente Aluminio Aluminio Aluminio Aluminio

Dimensión

casquillo

764x440x440

mm

136x775x500

mm

501x251x192

mm

760x440x440

mm

Peso 11 kg 9.7 kg 4 kg 7 kg

Altura poste 4 - 6 m 3 - 6 m 3.5 - 5 m 3 - 4 m

Fuente de luz LED integral LED LED LED de alta

eficacia

Número LED 30 12 32 32

Flujo luminoso 93 lm/W 83 lm/W 133 lm/W 134 lm/W

Apertura haz de

luz 152º x 157º - 180º x 270º -

Área proyección 0.26 m2 0.28 m2 - 0.36 m2

Corriente entrada 460 mA 350 mA 350 mA 350 mA

Voltaje 220 – 240 V 220 – 240 V 220 – 240 V 220 – 240 V

Potencia inicial 33 W 30 W 36 W 32 W

Vida útil 100.000 h 100.000 h 100.000 h 80.000 h

ENEC sí sí Sí sí

Ampliando lo anteriormente mostrado en la tabla se explicará que hardware embebido

se comercializa para que las luminosas tengan un comportamiento dotado de inteligencia.

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En el catálogo de Novatilu [17] encontramos el sistema embebido para la regulación y

el control de luminaria. Este dispositivo tiene el propósito de reducir el flujo, es decir,

reducir el consumo eléctrico del alumbrado público durante las horas nocturnas de menor

circulación, en la madrugada. Reduciendo la intensidad lumínica a la mitad durante seis

horas centrales de la madrugada, se consigue ahorros energéticos globales hasta el 35%.

Uno de los dispositivos ofertados es el “Power Switch PS 16 K” de Vosshloh S. La línea

de mando actúa sobre el mediante una tensión (flanco positivo o negativo) haciéndole

conmutar el nivel de regulación del driver, cogiendo como tiempo de actuación el reloj

astronómico.

Otra opción que se ofrece y comercializa en Novatilu es las opciones de tele gestión

donde se permite controlar la instalación de forma remota, permitiendo así el encendido,

apagado, la regulación de flujo, el consumo energético y la detección de fallos. En ambos

sistemas, la comunicación entre la cabecera y el sistema de control se efectúa mediante

Ethernet o GPRS. Es así como los datos transmitidos entre cabeceras y las luminarias se

pueden realizar a través de la propia línea eléctrica (Power Line Communicaction, más

conocido como PLC) a través de tecnologías de radio frecuencia (ZigBee).

Otra empresa especializada en sistemas de gestión de alumbrado público en las que se

hace hincapié es Circutor. Esta nos ofrece la gestión inteligente del alumbrado público, con

el objetivo de aumentar la eficiencia disminuyendo el consumo de energía, con el

dispositivo CirLamp. [18]

La posibilidad de controlar de forma remota el funcionamiento de cada punto de

alumbrado supone numerosas ventajas frente a alternativas que proponen un único control

en cabecera. El sistema CirLamp aporta tanto la flexibilidad del control de punto a punto,

como la facilidad de la gestión de mantenimiento, siendo directamente repercutido en el

consumo de energía eléctrica y en la satisfacción de los usuarios.

También por otro lado se encuentra la empresa intelliLight [19] con diversas soluciones

para resolver el problema de sistemas inteligentes lumínicos. Uno de sus dispositivos es el

SigFox, que emplea una tecnología Ultra-Narrow Band (UNB), que permite que se utilicen

niveles de potencia de transmisor muy bajos al mismo tiempo que se puede mantener una

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conexión de datos robusta, utilizando bandas de radio ISM sin licencia. La topología de red

ha sido diseñada para proporcionar una red escalable y de alta capacidad, con un consumo

de energía muy bajo, mientras se mantiene una infraestructura de célula basada en estrellas

simple y fácil de implementar. El dispositivo que se utilizará será el controlador de

radiofrecuencia de largo alcance SigFox FRE-220M que puede integrarse en la mayoría de

los diseños de luminarias, permitiendo a cualquier productor ofrecer accesorios de ilutación

listos para SigFox.

Por último, la empresa Sternberglighting [20] nos ofrece la solución de un módulo

adaptado con conexiones Wireless, a 2.4 GHz, donde se podrá regular la intensidad, los

niveles de luz y el control de la luminosa. Además, todo se podrá controlar desde una

aplicación basada en estas luminarias. Como extra, este hardware nos ofrece la opción de

mandar señales de emergencia a través de radiofrecuencia. Es por ello por lo que el

hardware intelliStreets es una solución flexible para la integración de luz, audio y señales

digitales para la seguridad vial del usuario.

En este apartado se introducirán las tecnologías del mercado que facilitarán la

introducción de inteligencia en las vías urbanas de las ciudades. Es por lo que se detallarán

los protocolos de comunicación, para entender cómo se gestionan y se comunican entre sí

las luminarias urbanas, dando a conocer finalmente su utilidad. Además, se podrán ver las

diferentes técnicas para la detección y reconocimiento de los usuarios en la calzada, desde

los sensores, que es la tecnología hoy en día más usada para dotar de inteligencia cualquier

dispositivo, hasta los algoritmos, que segmentan y reconocen los usuarios mediante

algoritmos software. Abordando por último las pequeñas singularidades y problemas que

quedan por resolver en dicha tecnología vanguardista hacia una mejora inteligente en el

alumbrado público urbano.

En lo que respecta a protocolos de comunicación podemos observar distintos trabajos

que utilizan diferentes tecnologías, desde Wireless usando ZigBee [21] a tecnologías

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basadas en cables usando protocolos TCP con cables dedicados o compartidos usando

una tecnología PLC. [22]

A continuación, se comparan los protocolos estudiados para la comunicación entre

luminarias en esta pequeña tabla, separando entre los protocolos inalámbricos y los de

cable. [23]

Tabla 2. Comparativa de protocolos de comunicación

Protocolo Precio Distancia Seguridad Consumo N.º máx. malla

Inalámbrico

Bluetooth Bajo Bajo Bajo Bajo Bajo

IEEE 802.11n Medio Alto Medio Medio Alto

ZigBEE Bajo Medio Medio Muy Bajo Medio

LoRaWAN Medio Alto Alta Bajo Alto

Cable

IEEE 802.3 Medio Alto Muy Alta Alto Alto

Ethernet PLC Alto Alto Muy Alta Alto Alto

Se pueden observar diferentes técnicas para detectar a los usuarios, de las cuales

podemos diferenciar claramente los dos tipos más usados. [24] Por un lado, tenemos la

sensorización de las luminarias, es decir sensores de movimiento, y en contrapartida la

utilización de cámaras y procesamiento de imagen. A continuación, hablaremos un

poco de estas dos técnicas y trataremos de, en la medida de lo posible, compararlas.

El proceso de detectar a los usuarios dentro del sistema mediante sensores de

movimiento es relativamente sencillo, es la primera aproximación a una solución para

un sistema de iluminación inteligente y, de hecho, es probablemente una de las

soluciones más extendidas. Pero debido a su sencillez presenta unas desventajas claves

que queremos destacar.

El primer problema que se encuentra es el coste, pues para cada luminaria se ha de

disponer de un dispositivo sensor individual. El segundo, y el cual se considera el más

importante, la escalabilidad y adaptabilidad del sistema, dicho de otro modo, se trataría

de un sistema cerrado cuyas entradas no podrían ser utilizadas en ningún otro sistema

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de inteligente para la ciudad. Es por ello por lo que, en un futuro, esta infraestructura

no tendría ninguna ampliación posible con los sensores ya añadidos previamente.

Por otro lado, podemos hacer uso de cámaras de vigilancia que nos permite

segmentar las imágenes para tener un control de lo que está ocurriendo en la calzada

deseada. Las ventajas están claras, mayor control de lo que ocurre, menos dispositivos

para crear una infraestructura inteligente, reutilización de la información y, además,

reutilización del hardware ya existente.

A la hora de detectar los usuarios de la infraestructura creada mediante cámaras,

podemos observar un excelente trabajo [25] que utiliza técnicas de filtrado y

segmentación de objetos en movimiento, así como otras técnicas como la sustracción

de fondo. Cabe destacar que se pueden llegar a soluciones o ampliaciones de la solución

más complejas como la técnica de tracking de personas, donde haciendo uso de

estereovisión y filtro de Kalman [26] podemos detectar y predecir el movimiento de los

peatones, permitiendo adelantarnos y adaptar el sistema a sus necesidades. Hoy en día

también existen otras técnicas de detectar a los viandantes y vehículos, ya sea basado

en el color, la forma o la textura. [27-28]

Si bien se trata con énfasis los problemas que encontramos al utilizar sensores de

movimiento, la utilización de cámaras y segmentación de imágenes no está exenta de

problemas.

Primeramente, el coste de una cámara es superior al de los sensores de movimiento,

problemática que se resuelve al tener que utilizar un número menor y al existir la

posibilidad de utilizar las cámaras ya disponibles en la ciudad, aprovechando así el

hardware existente y pudiendo adaptar la infraestructura. Otra desventaja sería el

procesamiento de la imagen, esté requiere de capacidad de computación, ya sea en un

servidor centralizado o de forma descentralizada en cada cámara.

A continuación, se muestra una tabla que compara las dos técnicas de sensorización

utilizadas para la detección de usuarios con las características esenciales para ser

decantados hacia una técnica u otra.

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Tabla 3. Comparativa de las técnicas de sensorización

Técnica Precio Ratio Escalabilidad Seguridad

Sensores de movimiento Bajo 1:1 Ninguna -

Cámaras y segmentación Alto 1:20 Muy Alta Alto

Uno de los primeros problemas planteados para solventar a este tipo de sistemas son

los falsos negativos, cuando el sistema no detecta a un peatón y/o vehículo habiendo

uno de ellos presente. Otro problema sería el fallo en detectar usuarios en condiciones

meteorológicas adversas. Por ello se tratará de ser lo más permisivo a la hora de detectar

usuarios y activar las luminarias en condiciones climatológicas malas.

Por otra parte, sería interesante tener en cuenta situaciones de excepción, donde

quizás se requiera de un control humano, como por ejemplo podrían ser las festividades,

donde quizás sea más interesante fijar las luminarias o utilizar otros parámetros para

estas fechas singulares, donde estos casos específicos podrán ser controlados desde el

computador central, o incluso dejarlo programado exclusivamente para cada calzada,

con un software creado específicamente.

Al hablar de sistemas de control siempre es importante tener en cuenta la durabilidad

del sistema, en este caso en particular el sistema de control estará expuesto a las

inclemencias del tiempo y al posible vandalismo.

Por último, el principal problema que representa el procesado de las imágenes es su

coste computacional. De aquí se han extraído dos soluciones, realizar el cálculo de

forma centralizada o descentralizada. Ambas soluciones presentan sus desventajas, en

un sistema centralizado la carga de trabajo crece de forma exponencial a medida que se

añaden más luminarias y sistemas de control. Por otro lado, una solución

descentralizada presenta un coste muy elevado ya que cada sistema de control deberá

tener la capacidad de cómputo suficiente para analizar la imagen, procesarla y tomar

las decisiones por sí misma. Por tanto, la solución debería procesarse de forma

intermedia, es decir, donde el sistema de control captura la imagen y la pre-procesa para

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enviarla a un sistema centralizado que analizará la información y se encargará del

control de la iluminación.

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Para el apartado de la especificación del problema se hablará de que un sistema de control

está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la

de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado. Al implementar el

sistema de control se necesitará ir un punto más hacia adelante y especificar el problema

visto con sistema de control inteligente, es decir, un sistema que será capaz de analizar el

entorno y dar una respuesta consecuente. Además, entenderemos que es un sistema donde el

comportamiento de sus elementos tiene cualidades cognoscitivas; como en el

comportamiento humano, aprendizaje, razonamiento, planificación y adaptación al medio

cambiante.

Por lo tanto, se presentará una nueva propuesta para la implementación de un sistema

inteligente lumínico en zona urbana, este caso concreto se centrará en una calle de 400

metros de longitud con un total de 40 postes lumínicos, repartidos equitativamente en cada

lado de la calzada, a una distancia equitativa de 20 metros. En este proyecto, adoptamos la

estrategia de control de ocupación adecuada para dicha calle residencial. Trabajaremos con

el comportamiento de las lámparas para encender/apagar o atenuar la intensidad de la luz de

acuerdo con la presencia de peatones o vehículos.

Seguidamente se mostrará el algoritmo para el Sistema Lumínico (SL) que representa

nuestra calle compuesta por las Ln luminarias. El sistema detallado diferencia entre dos tipos

diferentes de usuario, los vehículos y peatones. Siendo considerado como vehículo los

indicados por las normas de tráfico vigentes.

𝑆𝐿 = {𝐿1, 𝐿2, 𝐿3 … 𝐿40} ( 1)

Las luminarias dispondrán de 3 niveles de intensidad, siendo el nivel 1 equivalente a

0% de potencia, el nivel 1 equivaldrá a 30% de potencia y el nivel 2 representa el 100% de

potencia. La decisión de la intensidad se debe a los grandes beneficios obtenidos en otras

ciudades, donde ya se han desarrollado infraestructuras parecidas a la solución dada en este

proyecto. Como ejemplo se tiene las ciudades de Vitoria y Barcelona donde se obtienen el

85 y 80% respectivamente de beneficios, frente al gasto energético anterior, donde la

infraestructura previa no estaba dotada de inteligencia. [30]

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𝑓(𝑥) = {0, 𝑠𝑖 𝑑𝑖𝑎 1, 𝑠𝑖 𝑛𝑜𝑐ℎ𝑒 𝑦 𝑛𝑜 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜2, 𝑠𝑖 𝑛𝑜𝑐ℎ𝑒 𝑦 𝑠𝑖 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜

( 2)

Como podemos ver el nivel 0 sucederá cuando la bombilla de la luminaria este apagada,

es decir cuando estemos en horario diurno. Durante el horario nocturno, se mantendrá el

nivel 1 de intensidad, es decir al 30% mientras no se detecte a ningún viandante o vehículo.

Es así como, tras detectar un usuario, las bombillas de las luminarias permanecerán

encendidas a nivel 2, durante un tiempo determinado, representado seguidamente por la

función tencendido. Otro caso donde se mantiene al máximo la intensidad será durante la

detección de un usuario en el radio de acción de la luminaria, para así poder asegurar que no

tan solo la luminaria en la que se encuentra el usuario ilumina el camino, sino la anterior y

posterior al posible recorrido de un usuario. Cabe decir que las bombillas se encenderán y

apagarán de forma gradual, para no causar efectos extraños para los usuarios, tardando 1.5

segundo para alcanzar el nivel 2 y tardando 3 segundos en bajar de nivel 2 a nivel 1. El

tiempo determinado, que viene representado en la función siguiente, será propuesto de esta

manera, ya que, la velocidad de un vehículo es mayor a los otros usuarios. En este caso,

serán 10 segundos para los vehículos y 30 segundos para los peatones, ya que estos tardan

una media de 30 segundos de llegar de un poste de luminaria a otro.

𝑡𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜 = {10, 𝑠𝑖 𝑢 ∈ 𝑣𝑒ℎ𝑖𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠30, 𝑜𝑡𝑟𝑜 𝑐𝑎𝑠𝑜

( 3)

Seguidamente se explicarán los algoritmos necesarios para los diferentes tipos de

usuarios. En nuestro proyecto nos centraremos en dos especialmente, el peatón y el vehículo;

dentro del grupo de usuarios del vehículo incluye los denominados para suelo firme o

pavimentados (coche, bicicleta, motocicleta, patinete, entre otros).

Desde la perspectiva de los peatones, el alumbrado público efectivo es aquel que ayuda

a los peatones a evitar los obstáculos que puedan existir en el pavimento e impedir que se

produzcan lesiones a causa de tropiezos o caídas, así como el reconocimiento facial a otros

peatones (identificación) y hacerlos sentir más seguros durante el trayecto. Por lo tanto, un

esquema de alumbrado público eficaz debería mejorar la capacidad de detectar obstáculos

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en el camino. Como sugeriría la intuición, la detección de obstáculos se mejora a medida

que aumenta la intensidad lumínica.

Los peatones comienzan a evitar obstáculos a una distancia de entre 6 y 7 metros, aunque

estos se sienten más seguros con un mayor rango de visibilidad. En cambio, para el

reconocimiento facial de otros peatones requiere una intensidad lumínica considerablemente

mayor en comparación con la detección de obstáculos. Se informa que una luminosa en el

nivel de iluminación mínimo para un peatón debe permitir el reconocimiento de otros

usuarios de la calzada a una distancia de 4 metros, aunque para mayor seguridad del usuario

la identificación estaría alrededor de 8 ó 9 metros.

Por lo tanto, la utilidad del alumbrado público en nuestro sistema de control inteligente

será la detección de obstáculos peatonales, la navegación y el reconocimiento facial

incorporando los requisitos antes mencionados.

Desde la perspectiva de un vehículo, el alumbrado público ayuda a extender y ampliar

el alcance visual más allá de lo que ofrecen los propios vehículos. Esto les permite detectar

peligros potenciales en la dirección de viaje. En general, un alumbrado público efectivo para

el vehículo sería considerar el brillo promedio, la uniformidad de la luminosa, el incremento

del umbral y el sonido envolvente en proporción.

Entre estos factores, el brillo y la uniformidad promedio afectan la capacidad de los

conductores para detectar peligros potenciales. La detección de peligros normalmente se

asocia con la proximidad del peligro al vehículo en tiempo o en distancia, en el que se pueden

llevar a cabo maniobras para evitar una colisión y, por lo tanto, reducir la probabilidad de

lesiones a uno mismo u otros usuarios de la carretera. Esta distancia se refleja como la

distancia de frenado donde el conductor debe poder detener su vehículo de manera segura

después de que un peligro potencial es detectado.

Por lo general, la distancia de parada es de entre 60 y 160 metros en función de factores

que incluyen el vehículo, la velocidad, las condiciones de la superficie de la carretera y el

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tiempo de reacción del conductor. Conocemos que la velocidad máxima en una calle

peatonal es de 30 km/h, es por ello por lo que la distancia de parada aproximada será entre

15 y 20 metros. Por lo tanto, cuando un coche acceda a la calle peatonal se encenderán las

luminarias necesarias para cubrir los 15-20 metros de frenado. Seguidamente dada la

velocidad del vehículo recorre unos 8’5 m/s, dado que las farolas están a 20 metros de

distancia sabemos que el sistema de control deberá responder con un tiempo de deadline de

2 segundos.

Por lo tanto, la utilidad del alumbrado público en nuestro sistema de control inteligente,

consideramos que requiere que un segmento de carretera delante de los vehículos esté

iluminado, lo que les permite detectar posibles peligros dentro del camino de viaje y detener

el vehículo a tiempo.

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En este apartado se abordará las partes más técnicas del proyecto, razonando el hardware

elegido, la distribución de dichos elementos y se explicará el funcionamiento del algoritmo

que permitirá detectar a los usuarios de dicho sistema. Se hablará también de la arquitectura

usada para la comunicación entre los componentes descritos del sistema, es decir, entre las

cámaras, los postes y el procesamiento central.

Primeramente, se abordará a grandes rasgos la arquitectura del sistema con un esquema,

mostrando como se comunica esta infraestructura con todos los dispositivos que forman el

sistema del alumbrado público urbano. La cámara se compone de un sensor CCD, un

semiconductor que recoge la luz y la convierte en una señal eléctrica., y de un dispositivo

embebido para el procesamiento de la imagen. La cámara controlará un conjunto de

luminarias, en este caso en bloques de 10, cubriendo con un total de 4 cámaras la totalidad

de la calle. Este sistema también se comunicará con la nube, que será la encargada de

controlar un conjunto de servicios específicos. Todos estos detalles de la infraestructura del

sistema se detallarán en la figura siguiente, donde se ilustrará la distribución de cada uno de

los dispositivos.

Figura 1. Infraestructura del sistema

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Además, la disposición hipotética de la calle será la siguiente, la cual estará compuesta

por 40 luminarias repartidas estratégicamente a ambos lados de la calzada, con una

disposición de tresbolillo. [29] La distancia entre cada luminaria será de 20 metros, hasta

cubrir los 400 metros. También se introducirán 4 cámaras distribuidas a lo largo de los 400

metros de la vía urbana, es decir una cada 100 metros, y junto a cada cámara se instalará un

computador de placa reducida. La siguiente figura muestra la distribución completa de las

luminarias y dispositivo añadidos en la vía urbana. Como se puede ver hay dos figuras

diferentes a lo largo de la vía urbana. El cuadrado rojo representa una luminaria en cambio

el cuadrado rojo y verde representa la luminaria junto a la cámara y el computador de placa

reducida.

Figura 2. Distribución de las luminarias

Se ha empezado hablando a grandes rasgos de la arquitectura y la infraestructura del

alumbrado público urbano, en este apartado se enumerarán de forma específica los

componentes que forman esta arquitectura, detallando los dispositivos necesarios y

definiendo sus características hasta llegar a la conclusión de proceso de elección de dichos

componentes.

La arquitectura del alumbrado público inteligente urbano estará compuesta por:

o Luminarias

o Cámaras

o Sistemas embebidos

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Estudiando las características vistas en el apartado de la experimentación técnica, se ha

elegido la opción de la empresa Iluminación Roura del modelo Ochocentista, ya que para la

instalación se necesitará una bombilla tipo LED que sea de bajo consumo y que su reducción

de vatios sea elevada cuando se baja la intensidad de la bombilla LED. Además, se necesitará

que esta reducción tenga una tecnología vanguardista para facilitar el control de iluminación.

Es por ello por lo que la razón principal de escoger este tipo de luminarias es el gran

desarrollo tecnológico, ya que vienen dotadas de sistemas de iluminación con la tecnología

más avanzada, dando la facilidad de regular la intensidad de lux con el sistema Dali. El

sistema Dali (Digital Addressable Lighting Interface), es uno de los sistemas de iluminación

más potentes en la actualidad. Nos permite controlar toda la iluminación, en cuanto a la

intensidad de la bombilla LED, de manera digital. Su funcionamiento se gestiona a través de

la línea de control sin necesidad de relé, es decir toda la información vital se almacena en el

equipo de control y está disponible para todos los elementos. Este sistema tiene diversas

ventajas, entre ellas su fácil planificación, donde una sola línea de control de dos hilos

implica un máximo de 64 dispositivos y, además, tiene una sencilla instalación ya que no

precisa de cableado especial. Esto hará que el trabajo de acoplamiento de las luminarias a

las cámaras de visión y al dispositivo embebido, que se comentará más adelante, sea más

fácil y sencillo. Cabe destacar que este tipo de alumbrado público conserva lo tradicional,

manteniendo así el patrimonio de los entornos de la península, con la mezcla de lo original,

vanguardista y excelente de la tecnología más avanzada. Las características principales de

este tipo de luminaria vienen citadas en el apartado de la experimentación técnica. [40]

Figura 3. Luminaria modelo Ochocentista

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Una vez detallado el modelo de luminaria escogida y teniendo en cuenta la altura del

poste, de 4 a 6 metros, se sabrá que se necesitará un dispositivo de imagen digital con alta

resolución y además con una visión nocturna de gran alcance, donde el dispositivo este

expuesto a inclemencias climatológicas.

Tras revisar la oferta comercial un buen ejemplo es el modelo S130277 de TOPECAM.

[53] Se trata de una cámara de vigilancia exterior con una alta protección al agua (IP65), una

característica física indispensable para las adversidades climatológicas que suceden día tras

día, en el caso del clima mediterráneo, estará expuesto a niveles altos de temperatura y

lluvias moderadas durante el invierno. Además, dispone de visión nocturna de gran alcance,

con un rango de infrarrojos que alcanza hasta los 100 metros, que será un requisito

indispensable para poder captar a los usuarios de forma correcta en las horas nocturnas.

Estas dos cualidades han sido las que se han valorado para escoger esta cámara de

vigilancia, pero además tiene otras características, que son las mostradas en la siguiente

tabla, que también son destacables y nos proporcionan ventajas sobre las otras cámaras de

vigilancia.

Tabla 4. Características de la cámara de vigilancia

Elemento de imagen Sensor CCD Colour Sharp de 1/3

Pixeles 500(H) x 582(V)

Salida de video BNC

Lente 16 mm (17º apertura)

Resolución 420 líneas de TV

Consumo 1500 mA

Alimentación 12 V

Dimensiones 185 x 105 x 105 mm

Peso 2400 gr

Precio 129’95 €

Una vez escogida la cámara y sabiendo que la calle escogida tendrá cada luminaria

separada a 20 metros de distancia entre ellas, donde la vía estará dotada de 40 postes

luminosos, se necesitaran cuatro cámaras para cubrir los 400 metros de calle. Es decir, una

cámara cubrirá 10 postes luminosos, sin importar a que lado de la calzada se encuentren los

postes, ya que una cámara tiene la visión máxima de alcance de 100 metros, y en este caso

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el área a analizar será de 80 metros, dejando así los 20 metros restantes de margen para

asegurarnos un buen análisis de peatones y vehículos que se encuentren en la vía.

Por último, se deberá integrar un dispositivo embebido para el procesamiento de

imágenes y para la comunicación de red con el computador central, situado en la nube. Se

necesitará un buen computador embebido para poder brindar un alto rendimiento a la vía

que dotaremos de inteligencia. Por ello la mejor oferta que existe en el mercado son los

computadores de placas simples de la empresa Raspberry, debido a su alto procesamiento y

además su bajo coste comercial lo hace todavía más llamativo.

El último modelo es Raspberry Pi 3 Model B+ y será la opción elegida por sus

características más destacables. Una de ellas es que cuenta con el soporte WiFi 802.11ac de

doble banda, de modo que se podrá conectar a redes en la banda de los 2,4 y los 5 GHz. Eso

permitirá aprovechar la mayor velocidad de las redes 802.11ac para transferencias

inalámbricas. Además, debemos saber que Raspberry sigue siendo el microordenador más

económico del mercado, teniendo un este producto un precio de 39,75 €, que permitirá que

la instalación final rebaje mucho el coste total de la infraestructura.

Otras de las características de este modelo de Raspberry están detalladas seguidamente:

o Broadcom BCM2837B0, Cortex-A53 (ARMv8) 64-bit SoC @ 1.4GHz

o 1GB LPDDR2 SDRAM

o 2.4GHz y 5GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth 4.2, BLE

o Gigabit Ethernet con USB 2.0 (máxima transferencia 300 Mbps)

o Extended 40-pin GPIO header

o Full-size HDMI

o 4 puertos USB 2.0

o Puerto de cámara CSI para conectar a la cámara Raspberry Pi

o Puerto de pantalla DSI para conectar pantalla táctil Raspberry Pi

o Salida estéreo 4-polos y puerto de video compuesto

o Puerto de Micro SD para cargar el sistema operativo y almacenar datos

o Alimentación de 5V/2.5A DC

o PoE y PoE HAT

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Este apartado hablará de la resolución del procesamiento y de le evaluación de los

usuarios que se encuentran en la calzada especificada, por ello se explicarán los algoritmos

utilizados. Los códigos correspondientes se muestran en el anexo del proyecto.

Especialmente en este proyecto se explicará en el algoritmo utilizado para el

reconocimiento de peatones. Este se trata de un sencillo código escrito en el lenguaje Python

que es capaz de detectar regiones en las imágenes captadas del video. Para compilar y

ejecutar el programa se requerirá instalar esencialmente tres librerías:

o OpenCV: librería diseñada para la eficiencia computacional y con un enfoque en

aplicaciones de tiempo real.

o NumPy: extensión soporte para vectores y matrices, constituyendo una biblioteca de

funciones matemáticas de alto nivel para operar.

o Imutils: una serie de funciones para realizar operaciones básicas de procesamiento

de imágenes como traducción, rotación, cambio de tamaño, esqueletización y

visualización de imágenes.

Aunque este algoritmo no es muy preciso, es un algoritmo sencillo de desarrollar para el

reconocimiento de peatones y no conlleva mucho procesamiento, lo que termina siendo una

gran ventaja. Aunque aún no se permite detectar vehículos se puede utilizar con el fin de

preparar una demostración antes de continuar con una ampliación de la investigación.

Concurrentemente para que el anterior algoritmo pueda procesar imágenes

correctamente, se necesitará correr un programa que ha sido creado con el lenguaje Java.

Este pequeño programa captura y guarda las imágenes tomadas desde la cámara de la calle

peatonal. Estas capturas serán tomadas en directo, durante las horas nocturnas, gracias a la

tecnología que brinda Selenium WebDriver juntamente con Firefox y JUnit. Haciendo

posible que se tomen instantáneas procesadas del video, podremos seguidamente analizarlas

para detectar peatones.

Además, junto a estos códigos para el reconocimiento de usuario, se tendrá en cuenta las

fórmulas en el apartado de la especificación del problema, para fijar el estado de la luminaria

en cada momento determinado.

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Es decir, con la fórmula detallada en la figura 5 evaluaremos que nivel de intensidad será

necesario en cada una de las luminarias, pasando durante el periodo de horas nocturnas entre

los niveles 1 o 2 dependiendo de la captación de usuarios. Cada uno de los postes tendrá

asignado un número correlativo para así poder fijar el valor del estado lumínico. Cabe decir

que para el estado de nivel 0, donde la luminaria se encontrara apagada, será establecido en

las líneas de código, con la hora de salida y la puesta del sol, facilitando así que el código

sea dinámico, dependiendo de la ciudad donde se establezca la infraestructura.

Finalmente, también tendremos en cuenta la última función establecida en el apartado

de especificación, sobre el tiempo necesario de encendido a máximo nivel de intensidad.

Esta fórmula diferenciará el tiempo de encendido dependiendo del tipo de usuario que este

en ese momento en la calzada.

De acuerdo con la implementación que se ha realizado, vamos a describir un modo de

uso flexible con diferentes posibilidades de ejecución, para que la infraestructura final sea

dinámica y adaptable a cada ciudad no importunando escoger una modalidad para la

totalidad de superficie del alumbrado público.

Las modalidades que se proponen son las siguientes:

o Ejecución en el dispositivo embebido –Modalidad A–: el algoritmo completo se

ejecuta en el sistema embebido.

o Ejecución en la nube –Modalidad B–: las imágenes se envían a la nube y el algoritmo

completo se ejecuta allí.

o Ejecución híbrida –Modalidad C–: las imágenes se preprocesan en el sistema

embebido y se envían a la nube para analizarlas al completo.

Este modelo de ejecución trabajará de forma íntegra en el dispositivo embebido

juntamente con la cámara. Es por ello por lo que la lista de tareas a realizar por el

computador de placa reducida estará compuesta por:

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o Procesar: Realizar el procesamiento de la imagen capturada por la cámara,

obteniendo así las áreas de interés.

o Evaluar: Evaluar si hay o no hay un usuario de nuestro sistema urbano, evitando

falsos positivos o negativos.

o Fijar estado: Enviar el estado a los postes luminosos para el acondicionamiento

lumínico.

La siguiente figura es un diagrama de flujo para facilitar la comprensión lectora de

las operaciones y tareas que se realizaran por parte del sistema embebido y la cámara.

De esta forma se podrá percibir fácilmente que cometido tienen los roles especificados.

Figura 4. Diagrama de flujo Modalidad A

Este modelo de ejecución trabajará de forma íntegra en el computador central, o

nube. A continuación, se detallan la lista de tareas que realizará dicho computador:

o Enviar: La cámara junto al sistema embebido envía las imágenes a la nube para

el procesamiento.

o Procesar: Realizar el procesamiento de la imagen capturada por la cámara,

obteniendo así las áreas de interés.

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o Evaluar: Evaluar si hay o no hay un usuario de nuestro sistema urbano, evitando

falsos positivos o negativos.

o Fijar estado: Enviar el estado a los postes luminosos para el acondicionamiento

lumínico.

La siguiente figura es un diagrama de flujo para facilitar la comprensión lectora de

las operaciones y tareas que se realizaran por parte del dispositivo central (nube).

Aunque todo se ejecuta de forma íntegra en la nube, necesitaremos previamente el envío

de las fotografías tomadas por la cámara.

Figura 5. Diagrama de flujo Modalidad B

Este modelo de ejecución trabajara de forma hibrida con el dispositivo embebido y

la cámara junto a la nube. A continuación, se listan las tareas que realizará in situ la

cámara y cuales enviará para el procesamiento en la nube.

Obtener la imagen de la calle:

o Preprocesar: Realizar un primer procesamiento de la imagen capturada por la

cámara, obteniendo así las regiones de interés.

o Enviar: Recortar estas regiones de interés y enviarlas a la nube para su

procesamiento exhaustivo.

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Por su lado, la nube se encargará de las siguientes operaciones:

o Procesar: Procesar las regiones de interés de las imágenes recibidas.

o Evaluar: Evaluar si hay o no hay un usuario de nuestro sistema urbano.

o Fijar estado: Enviar el estado a los postes luminosos para el acondicionamiento

lumínico.

La siguiente figura es un diagrama de flujo para facilitar la comprensión lectora de

las operaciones y tareas que se realizaran por parte de la cámara o del dispositivo central

(nube).

Figura 6. Diagrama de flujo Modalidad C

En este caso, una vez explicado el proceso de tarea de las cámaras junto a la

Raspberry, será necesario explicar como se dividen los algoritmos que procesan y

desarrollan lo necesario para detectar peatones y vehículos. Para ello, necesitaremos los

algoritmos que se detallarán seguidamente divido entre los dos roles vistos en el

diagrama anterior de la figura.

Para el rol establecido como la parte esquemática de la cámara juntamente al

sistema embebido se utilizarán los dos códigos a previamente explicados en el

apartado de implementación y referenciados en el anexo. Es aquí donde se trabajará

la captación de imágenes y el posterior preprocesamiento del reconocimiento de los

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usuarios, recortando así las áreas de interés y finalmente terminando su ejecución en

el envío continuo de información de usuarios detectados al procesador central, o

nube.

Para el rol establecido como la parte esquemática de la nube estarán los

algoritmos detallados a partir de las fórmulas especificadas en el apartado

especificación del problema. De modo que, con la tecnología determinada

anteriormente para el envío de información se obtendrán en la nube las imágenes

marcadas con las áreas de interés y un procesado previo.

Una vez obtenidas dichas imágenes, se realizará un exhaustivo repaso de la

imagen, donde se determinará finalmente si se encuentran uno o más usuarios en la

calle peatonal para así poder determinar el estado de las bombillas led para cada una

de las luminarias. Finalmente se enviará dicho estado a cada luminaria para fijar el

estado cumpliendo así el propósito inicial de alumbrar a los usuarios de la calzada

durante su estancia.

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33

Para finalizar con el apartado de las diferentes modalidades de detección de los usuarios

en la calzada se presentan las ventajas y desventajas. Se puede visualizar en la próxima tabla,

sobre los inconvenientes, que tanto la modalidad A como la modalidad B tienen en uno

común, la saturación. Es decir, cuando la infraestructura del sistema aborda demasiada

información estas dos modalidades no tendrían la habilidad para reaccionar y adaptarse al

crecimiento continuo de trabajo de manera fluida sin perder calidad en el servicio ofrecido.

En cambio, la modalidad C su inconveniente más destacable será la responsabilidad a la hora

de operar y mantener el centro de datos y hacerse cargo de la seguridad de forma más

trascendental. Además, sobre las conveniencias se podrá decir que todas las modalidades

son dispares entre sí, ya que el inconveniente arriba tratado sobre las modalidades A y B

será solucionado con la modalidad C y a su vez, la modalidad A soluciona a los problemas

de alta programación mencionado en los inconvenientes de la modalidad C. Esto se detallará

seguidamente en la siguiente tabla.

Tabla 5. Ventajas y desventajas de las modalidades

Modalidad A Modalidad B Modalidad C

Ventajas

Procesador único Gestión centralizada Sistema flexible

Software

sencillo

Software

sencillo Altamente escalable

Luminaria de sistema

autónomo

Análisis de conjunto

de datos -

Desventajas

Mayor coste por

luminaria

Saturación de la red

por la transmisión de

imágenes.

Requiere alta

programación

Mas capacidad de

proceso Saturación en la nube

Arquitectura más

completa

No existe base de datos - -

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34

En este apartado del proyecto se detallará la experimentación seguida y seguidamente el

análisis de los resultados. Se podrá experimentar que, con ambos roles detallados en el punto

anterior, se puede captar a los usuarios que pasan y/o están por la calle peatonal. Así por

ende aumentar o reducir convenientemente la intensidad de las luminarias para poder

cumplir una buena iluminación y, además, obtener los objetivos principales tratados en el

primer apartado del trabajo. La parte de la experimentación y análisis será trabajada con los

algoritmos arriba detallados, utilizando la modalidad A –utilizando tan solo la Raspberry

como método de procesamiento– y centrándose en la parte de usuarios de tipo peatones.

Finalmente, se proyectará el ahorro que supondría en una ciudad de tipo medio completa la

infraestructura de iluminación inteligente urbana.

Como ejemplo de experimentación y análisis, se ha escogido la famosa calle de Abbey

Road de Londres –Reino Unido–, más abajo mostrada en la figura 7. Se ha escogido esta

calle por la cámara de videovigilancia que nos proporciona acceso 24 horas los 7 días a la

semana. Podemos acceder a la cámara gracias a la retransmisión en la página web EarthCam.

[54] Esta empresa es líder mundial en el suministro de contenido, tecnología y servicios para

cámaras web. Su objetivo es fomentar la exploración, fomentar el descubrimiento y conectar

a las personas a través de la tecnología innovadora de cámara en directo. Se construyó como

una forma de transportar a las personas a lugares interesantes y únicos en todo el mundo que

pueden ser difíciles o imposibles de visitar en persona. [55]

También es de interés esta calle por el famoso paso de cebra, que se ha convertido en

una zona popular para fotografías turísticas, brindando así un elevado paso de usuarios en

horas nocturnas. Facilitando la tarea de analizar los cambios de intensidades de las

luminarias instaladas en una calle concurrida. Este análisis nos dará un porcentaje menor de

ganancias comparado con calles residenciales que no tienen un excesivo transito nocturno,

como sucedería en la calle peatonal de la infraestructura detallada en este proyecto. Aun así,

es interesante la experimentación con dicha calzada para como se ha comentado, observar el

máximo cambio de intensidades en el alumbrado público.

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35

Figura 7. Calle escogida para el análisis

Una vez explicada el acceso al video, la primera tarea que se realizará será la extracción

de una imagen del video captado por la cámara. Seguidamente, de forma concurrente se saca

las incidencias de peatones que existen en la imagen. Como se puede ver en la siguiente

figura que, cuando encuentra usuarios en las diferentes zonas de la calzada, los marca con

un rectángulo de color verde.

Figura 8. Peatones detectados en la vía

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36

Sin embargo, se ha podido visualizar, con los resultados obtenidos, que el algoritmo

no siempre funciona a la perfección, teniendo así un pequeño porcentaje de error. Se

encontrarán en el algoritmo los conceptos denominados como falso positivo y falso negativo.

El primer término, llamado falso positivo es un hallazgo en el resultado que se considera

verdadero pero que luego se demuestra falso. En cambio, el falso negativo es un error por el

cual, al realizar una ejecución de una prueba, su resultado es normal no detectando la

alteración buscada.

A continuación, se muestran en las figuras algunos ejemplos de estos errores de

forma más detallada. La primera imagen es una muestra de falso positivo, donde se encuadra

una porción de la fotografía sin haber ningún peatón, en este caso la luminaria pasaría a

máxima intensidad malgastando energía.

Figura 9. Ejemplo de falso positivo

Sin embargo, en la segunda imagen se ve como a pesar de que hay dos personas en

la calle, no han sido detectadas por el algoritmo. En este caso, las luminarias se quedarían

en mínima intensidad, con un porcentaje del 30%, pudiendo no ser suficiente para los

peatones que permanecen andando en la calzada.

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Figura 10. Falso negativo

También existe otro caso de error, como se ve en la próxima figura. En este caso

además de detectar a las personas que se encuentran en la calle también identifica a otros

objetos como posibles peatones. En este caso el error no es muy problemático puesto que no

gastamos más energía, y como futura ampliación se podría mejorar el algoritmo con un

previo entrenamiento de la calzada donde se construya el sistema.

Figura 11. Error leve en el reconocimiento

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En este apartado se abordará los diferentes análisis realizados sobre el beneficio que

aporta el reconocimiento de peatones y vehículos en la luminaria urbana inteligente. El

estudio analiza cómo la iluminación urbana inteligente puede utilizarse como mejora en las

ciudades inteligentes.

Para realizar los análisis, escogeremos las diversas fotografías, extraídas de la calle

anteriormente citada, agrupando así el consumo energético total. Estas están almacenadas

en un rango horario nocturno para poder calcular con qué frecuencia hay movimiento en la

calle, evitando así que la luminaria este encendida con una intensidad del 100% durante

todas las horas nocturnas. Consecuentemente podremos analizar los gastos totales anuales,

la evolución de gastos de inversión y el ahorro tanto en gastos eléctricos como las emisiones

de CO2 y además será importante hacer las comparativas pertenecientes frente a las

luminarias convencionales no inteligentes.

Durante la noche de la calle escogida ha transcurrido un total de 7:27:00 horas nocturnas,

donde se han almacenado 5364 fotos, ya que se toma una imagen cada cinco segundos.

Mientras pasan las horas se han detectado la presencia de peatones en 725 imágenes,

teniéndose en cuenta los falsos positivos y negativos, para obtener un análisis correcto y

preciso. Es así como sabiendo que las 725 fotografías son tomadas cada cinco segundos,

podremos extraer el tiempo, en segundos, necesario para tener la luminaria encendida a una

intensidad del nivel 2.

𝑡𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 3 = 725 ∗ 5 = 3625 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 ( 4)

Por lo tanto, durante 3625 segundos, lo equivalente a 1 hora y pocos segundos serían

necesarias las luminarias encendidas a una intensidad del 100%.

Se puede observar como el resto total de horas nocturnas, en este caso 6:27:00 horas,

sería innecesario tener las luminarias urbanas a una intensidad de nivel 2, es así como durante

estas horas se estaría malgastando energía de forma redundante. En el caso de las luminarias

propuestas en este proyecto, durante este transcurso horario, establecería la intensidad a un

nivel 1.

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Seguidamente se procederá a calcular el ahorro económico y de consumo energético que

tendríamos en la calle anteriormente detallada. Se comparará las luminarias convencionales

frente a las luminarias de bombilla LED con un regulador de intensidad. Esta

experimentación estará adulterada en cuanto a la cantidad de luminarias establecidas y la

longitud de la calle, como así de la cuantía de vatios en las bombillas tradicionales, en

contraposición los datos reales las fotografías obtenidas de la cámara situada en la calle

Abbey Road –Londres, Reino Unido–.

El alumbrado público se formará con 40 luminarias para iluminar la calle peatonal de

400 metros, siguiendo así la estructura que se ha detallado en primera instancia. Suponiendo

que las luminarias convencionales no tienen aplicada la tecnología LED, se establecerá la

potencia en 250 W –escogiendo la información de las bombillas convencionales del futuro

experimento detallado posteriormente–, siendo el promedio de una bombilla incandescente

tradicional. [58] En cambio, para las luminarias inteligentes el tipo de bombilla LED

establece 32 W de consumo estando encendidas a máxima intensidad, siendo las instaladas

en el modelo Ochocentista de la empresa Iluminación Roura.

A pesar de estar encendidas unas 7 horas las luminarias de la calle inglesa detallada

anteriormente, que es el rango nocturno en verano, se calculará el consumo energético con

una media nocturna anual, es decir 12 horas. Será detallado de la siguiente manera

establecida en la figura.

𝐶𝑙𝑢𝑚𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 =(40 ∗ 250 ∗ 12)

1000= 120 𝑘𝑊ℎ

( 5)

𝐶𝑙𝑢𝑚𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 120 ∗ 30 = 3600 𝑘𝑊ℎ ( 6)

Una vez calculado el consumo energético mensual, el siguiente paso será calcular el

gasto mensual que supone la infraestructura convencional. Sabiendo que la tarifa regulada

por el ministerio de energía, turismo y agenda digital en 2018 [38], ha establecido un precio

de 0,12159 €/kWh se podrá obtener el gasto total mensual.

𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 3600 ∗ 0,12159 = 437,72 € ( 7)

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40

Se harán los mismos cálculos con las luminarias no convencionales, es decir dotadas de

inteligencia. Teniendo en cuenta que solo estarán encendidas al 100% de intensidad durante

1 hora sobre las 7 horas nocturnas y suponiendo que se mantiene constante durante los 30

días del mes. Se deberá extrapolar este dato a la media de 12 horas nocturnas anuales.

Primeramente, calcularemos este dato con una simple regla de tres en la siguiente función

sabiendo así cuanto tiempo total nocturno estarían hipotéticamente encendidas a la totalidad

de intensidad. Seguidamente, se calculará el consumo diario para poder extraer el consumo

de kWh mensual y así seguidamente llegar al cálculo del gasto mensual de dichas luminarias.

𝑥 = 1 ∗ 12

7= 1,70 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

(8)

𝐶𝑙𝑢𝑚𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 =(40 ∗ 32 ∗ 1,70)

1000= 2,18 𝑘𝑊ℎ

(9)

𝐶𝑙𝑢𝑚𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 2,18 ∗ 30 = 65,28 𝑘𝑊ℎ (10)

𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 65,28 ∗ 0,12159 = 7,94 € (11)

Consecutivamente se calculará para las horas restantes nocturnas, es decir el transcurso

de casi 11 horas restantes donde el alumbrado público se mantendrá con un percentil del

30% de intensidad lumínica. Para poder hacer los cálculos arriba detallados con este

percentil de luminosidad, se deberá calcular la potencia mínima que utilizaran el alumbrado

publico con el nivel 1. Esta potencia en las luminarias es reducida gracias al sistema Dali

(Digital Addressable Lighting Interface), como se ha explicado en el apartado de

arquitectura. Para ello necesitaremos una sencilla regla de tres.

𝑥 = 32 ∗ 30

100= 9,60 𝑊

(12)

𝐶𝑙𝑢𝑚𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 =(40 ∗ 9,60 ∗ 10,30)

1000= 3,96 𝑘𝑊ℎ

(13)

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41

𝐶𝑙𝑢𝑚𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 3,96 ∗ 30 = 118,66 𝑘𝑊ℎ (14)

𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 118,66 ∗ 0,12159 = 14,43 € (15)

Con estos cálculos previamente realizados sobre las luminarias inteligentes se podrá

extraer el total con las respectivas sumas para así futuramente compararlas con los resultados

obtenidos de las luminarias que no están dotadas de inteligencia.

𝐶𝑙𝑢𝑚𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 = 2,18 + 3,96 = 6,13 𝑘𝑊ℎ (16)

𝐶𝑙𝑢𝑚𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 65,28 + 118,66 = 183,94 𝑘𝑊ℎ (17)

𝐺𝑎𝑠𝑡𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = 7,94 + 14,43 = 22,36 € (18)

Una vez realizados todos los cálculos, para facilitar la lectura de comparación entre

ambas infraestructuras, se resumirá en la próxima tabla todos los resultados extraídos

añadiendo así, datos de interés, como los valores anuales de cada una de las variables.

Tabla 6. Tabla comparativa de consumo y gasto

Luminarias convencionales Luminarias inteligentes

Consumo mensual 3600 kWh 183,94 kWh

Consumo anual 43800 kWh 2237,88 kWh

Gasto mensual 437,72 € 22,36 €

Gasto anual 5325,64 € 272,10 €

Con la información obtenida y detallada en la tabla se puede conocer que el ahorro, tanto

económico como energético, sería de un 94,89% entre la infraestructura convencional y la

que está dotada de inteligencia.

Como último cálculo a determinar será las emisiones de CO2 de cada infraestructura.

Sabiendo los datos anuales de gasto y consumo en cada infraestructura se podrá extraer el

ahorro de emisiones anuales de CO2 en la vía urbana dotada de 40 luminarias inteligentes.

Se deberá tener en cuenta que el factor de emisión (kg de CO2 eq/kWh) está en 0,43 siendo

este valor GDO (Garantía de Origen y Etiquetado de la Electricidad). [47] El factor de

emisión eléctrico es el valor que expresa las emisiones de CO2 asociadas a la generación de

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la electricidad que consume el dispositivo y, por tanto, es un indicador de las fuentes de

energía utilizadas para producir dicha electricidad, cuanto más bajo es, mayor es la

contribución de fuentes energéticas de origen renovable o bajas en carbono.

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 = 43800 ∗ 0,43 = 18834 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑒𝑞 (19)

𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛 = 2237,89 ∗ 0,43 = 962,29 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑒𝑞 (10)

Una vez obtenidos estos cálculos, podremos saber que la emisión de CO2 se ha rebajado

en un 94,89 % respecto a las emisiones de las luminarias convencionales.

Por último, se podrá ver en los tres gráficos siguientes la comparación entre ambas

infraestructuras. Ampliaremos los datos en las gráficas a términos anuales, para una mejor

visualización. El primer gráfico trata sobre el consumo energético de la vía urbana

inteligente frente a la convencional. Seguidamente, se expone un gráfico sobre el beneficio

obtenido del gasto económico con el alumbrado urbano inteligente. Finalmente, se muestra

una gráfica con los resultados de emisión de CO2 en cada infraestructura.

Figura 12. Gráfico consumo anual

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43

Figura 13. Gráfico gasto anual

Figura 14. Gráfico emisión de CO2 anual

Una vez vistos los beneficios que supone la infraestructura en una supuesta calzada de

400 metros, junto al procesamiento real de imágenes, se proyectará el ahorro hacia una

ciudad pequeña para así poder extrapolar el ejemplo con una batería de datos reales. Para

entender que amplitud tiene una ciudad pequeña deberemos saber que se entiende como

ciudad media aquella que es lo suficientemente grande como para generar dinámicas

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económicas y sociales que supera la frontera del propio municipio, y es punto receptor de

movilidad de los pueblos de su alrededor. Las ciudades medias, en España, tienen entre

20.000 y 200.000 habitantes, excluyendo las ciudades que forman parte de áreas

metropolitanas de ciudades de rango superior y aquellas que configuran áreas metropolitanas

propias mayores de 400.000 habitantes. [48] Consiguiente a este dato se entenderá que una

ciudad pequeña estará formada por municipios inferiores a los habitantes de una ciudad

media, pero con los mismos recursos anteriores citados, es decir ciudades donde el municipio

albergue menos de 20.000 habitantes y generen dinámicas económicas y sociales superando

sus fronteras. Siguiendo la definición de ciudad pequeña, se escogerá Benissa. Una ciudad

y municipio español de la provincia de Alicante, en la Comunidad Valenciana, con un censo

de población de 10.879 habitantes. [49]

Sabiendo que Benissa tiene 1600 luminarias diferentes en toda la ciudad, repartidas en

muchas líneas de distribución, se pueden ver en las figuras detalladas en el anexo, los planos

donde se introducen las líneas diferenciadas con colores de la distribución de las luminarias.

Algunas de estas líneas han sufrido cambios, es decir se han ampliado sus cuadros eléctricos

y actualizado las luminarias a tecnología LED. Es por eso por lo que en la siguiente tabla

podremos ver un pequeño resumen distribuido en los distintos cuadros eléctricos –haciendo

referencia a las líneas del plano–, detallando la cantidad de luminarias y el consumo total del

respectivo cuadro, y pudiendo visualizar en que cuadros ha habido modificaciones a

tecnología LED.

Tabla 7. Potencia y cantidad de luminarias

Cuadro eléctrico Cantidad Potencia(w) Cuadro eléctrico Cantidad Potencia(w)

Q01 71 4476 Q11 19 3730

Q02 22 5140 Q12 100 5770

Q03 14 3000 Q13 21 3950

Q04 46 2720 Q14 19 4750

Q05 24 2430 Q15 37 2835

Q06 191 11183 Q16 29 4100

Q07 61 4639 Q17 4 280

Q08 96 4810 Q18 39 6582

Q09 98 19900 Q19 42 4170

Q10 24 6000 Q20 14 2900

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Cuadro eléctrico Cantidad Potencia(w) Cuadro eléctrico Cantidad Potencia(w)

Q21 110 25500 Q31 13 1950

Q22 11 2750 Q32 5 350

Q23 20 5000 Q33 7 490

Q24 14 1828 Q34 5 625

Q25 102 24100 Q35 6 900

Q26 70 17500 Q36 47 3043

Q27 82 20000 Q37 8 1750

Q28 71 17750 Q38 7 490

Q29 6 900 Q39 18 630

Q30 27 4050

TOTAL 1600 232971

Como se puede ver en la tabla anterior el total de las luminarias son 1600 con una

potencia de 232971 vatios totales. Cabe destacar que cada cuadro eléctrico está dotado de

distintos tipos de luminarias y por ende cada una establece una potencia de vatios, dando la

suma de potencias como resultado parcial de cada cuadro eléctrico para finalmente dar la

totalidad. Además de toda la iluminación urbana de la ciudad se ha elegido el tipo de

luminaria que es vial o urbano, excluyendo luminarias tipo proyectores o balizas.

Una vez obtenido el total de vatios que se consumen en toda la ciudad de Benissa, será

necesario para los próximos cálculos extraer la mediana de vatios utilizados en el municipio

para tener unos cálculos lo más cercanos a la realidad de cada cuadro eléctrico. Es así, que

con el diferente rango de datos de vatios por cuadro se ha sabido que la mediana de vatios

tiene un valor de 100, en el anexo se puede ver este cálculo detallado.

Por otra parte, se deberá tener en cuenta que la ciudad de Benissa tan solo consta de

cuatro cámaras de vigilancia en todo el municipio, por lo tanto, la infraestructura de dotación

de cámaras de vigilancia y sistemas embebidos deberá ser instalada desde cero y siendo

instalada donde sea requerida. A excepción de las cuatro cámaras citadas anteriormente,

dicha instalación se encuentra en la N-332 con dirección Av. País Valencià, dos cámaras en

cada extremo de avenida. En las próximas figuras se muestran dichas cámaras, en ambas

salidas de la avenida. Primeramente, la norte seguida de la salida sur.

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Figura 15. Cámara vigilancia salida norte

Figura 16. Cámara vigilancia salida sur

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Es así como partir del total de luminarias y el consumo calculado, se deducirá el ahorro

energético, de facturación y de emisiones de CO2. Además, se propone un caso de

experimentación, explicando como sucedería una escena de análisis de las luminarias que

intervienen, con el paso de un peatón durante un tiempo determinado por una calle de la

ciudad escogida.

Se proyectará primero el análisis de las luminarias involucradas en la escena lumínica al

encontrar un peatón. La calle escogida para la experimentación será la calle de la Puríssima,

uno de los tramos peatonales de la ciudad de Benissa.

Figura 17. Calle de la Puríssima

Sabiendo que la calle escogida contiene 20 luminarias y con un gasto energético de 47

vatios, en una disposición bilateral de tresbolillo y tiene un total aproximado de 314 metros.

[56] Siendo así se podrá obtener la distancia entre las luminarias, en este caso será de 33

metros entre ellas, exceptuando dos luminarias que se encuentran a menor distancia –que

han sido excluidas para el cálculo de distancia–. También tendremos en cuenta que habrá

que añadir desde cero toda el sistema embebido y las cámaras de videovigilancia en la calle

de la Puríssima. Para esta calle la arquitectura necesaria estaría dotada de 3 cámaras de

videovigilancia con sus respectivos sistemas embebidos, sabiendo que las cámaras tienen un

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48

precio de 129,95€ y la Raspberry tiene un precio de 39,75€ podremos calcular que el precio

total de la infraestructura en la calle de Benissa será de 510€.

Para el experimento se acortará el trayecto realizado por el usuario, es decir un peatón

se introducirá en la calle escogida y recorrerá una distancia de 90 metros, para poder

visualizar fácilmente las intensidades de cada luminaria. Siendo un recorrido integro de 1

minutos a pie, [57] el peatón llevará una velocidad promedio calculada de 5’40 km/h.

En la siguiente imagen se podrá ver el plano de la calle y la situación de las luminarias.

Además, podemos visualizar el área marcada a recorrer, en un color violáceo, dando así a

conocer el número de luminarias urbanas involucradas en el tramo del usuario tipo peatón.

Figura 18. Plano de la calle de la Puríssima

En este tramo habrá un total de 7 luminarias en ambos lados de la calzada, representadas

en la figura 19 de forma secuencial, sin importar a qué lado de la calzada se encuentran. Se

muestra a continuación el desplazamiento del usuario tipo peatón en cuatro partes, en

relación con el minuto del recorrido. Junto al desplazamiento del usuario se podrá visualizar

las diferentes intensidades que tendrá cada luminaria.

Es así como en la próxima imagen se podrá observar al peatón recorrer el tramo de 90

metros en cuatro porciones de tiempo, cada uno representa 15 segundos de recorrido.

Además, se observa como la luminaria anterior y posterior a la localización del usuario,

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49

mantienen una intensidad mayor al resto de luminarias. Esto es debido a que las intensidades

de las luminarias tienen un retardo, detallado en el apartado de especificación del problema,

donde crece la intensidad en 1.5 segundo para alcanzar el nivel 2 y decrece la intensidad en

3 segundos para bajar de nivel 2 a nivel 1. Cada porción de la imagen son 15 segundos en el

tiempo y alrededor de 30 metros. Esta característica distintiva de regular la intensidad de las

luminarias proporcionara que el usuario nunca se quede a oscuras o mejor dicho con una

intensidad mínima necesaria para que se sienta seguro durante el recorrido total.

Figura 19. Intensidad de luminarias en un tramo de la calle

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Una vez explicada y detallada cómo funciona la iluminación de la calzada en cuanto

a representación de intensidades, se detallará el ahorro económico, energético y

ecológico de la ciudad de Benissa frente a la infraestructura actual. Esta estará dotada

de 1600 luminarias, mayoritariamente tipo LED, con una potencia calculado –con el

valor de la variable que ocupa el lugar central en la serie ordenada de datos que se

visibilizan en el anexo del proyecto– de 100 W, sin ninguna función inteligente. Para

este ejemplo, de ahorro en una ciudad pequeña, se supondrá que transcurre en 12 horas

nocturnas, dado el promedio anual, y que las luminarias se mantienen encendidas a

intensidad nivel 2 durante 4 horas, extraído con una regla de tres del experimento

hipotético anterior. Para simplificar los resultados, que en otro apartado han sido

detallados paso a paso, se mostrarán en las siguientes figuras todos los datos calculados

de ambas infraestructuras.

Figura 20. Datos infraestructura Benissa calculados

El cálculo del consumo anual es muy aproximado al real, por el ayuntamiento de

Benissa, por lo tanto, se podrá visualizar que los resultados finales serán veraces. En la

siguiente figura se podrá ver la mínima diferencia entre ambas al haber utilizado una

potencia media calculada de 100 W frente a las potencias reales en cada cuadro eléctrico.

Alumbrado LED

Consumo LED 100 W

Luminarias 1600 unidades

Encendidas 100% 12 h

Precio kWh 0,12159 €

consumo diario 1920 kWh

consumo mensual 57600,00 kWh

consumo anual 700800,00 kWh

gasto diario 233,45 € €

gasto mensual 7.003,58 € €

gasto anual 85.210,27 € €

emisión 301344,00 kg de CO2 eq/kWh

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Figura 21. Datos infraestructura Benissa reales

Figura 22. Datos infraestructura inteligente

Finalmente, para terminar el análisis de proyección en una ciudad pequeña como

Benissa, se detallará el ahorro en las tres materias anteriormente citadas. En las próximas

figuras se podrá ver una tabla resumen comparativa de los resultados obtenidos.

Energía Activa Facturada (kWh) (v.e.)

69.598,00 24.072,00 27.570,00 10.835,00

1.555,00 4.801,00 20.586,00 22.554,00

24.861,00 36.398,00 43.381,00 9.264,00

604,00 29.028,00 7.927,00 314,00

32.321,54 10.007,00 58.071,00 207,00

27.363,00 1.641,00 13.689,00 1.691,00

6.173,00 14.979,00 6.840,00 1.595,00

21.078,00 5.686,00 44.089,00 1.146,00

21.473,00 21.177,00 73.269,00 320,00

26.922,00 507,00 3.870,00

TOTAL 727.462,54

Alumbrado inteligente

Vatios 100% 32 W

Vatios 30% 9,6 W

Nº luces 1600 unidades

Encendidas 100% 4 h Promedio noche 12

Encendidas 30% 8 h

Precio kWh 0,12159 €

100% 30%

consumo diario 204,8 kWh consumo diario 122,88 kWh

consumo mensual 6144,00 kWh consumo mensual 3686,4 kWh

consumo anual 74752,00 kWh consumo anual 44851,2 kWh

consumo total diario 327,68 kWh gasto diario 39,84 € €

consumo total mensual 9830,4 kWh gasto mensual 1.195,28 € €

consumo total anual 119603,2 kWh gasto anual 14.542,55 € €

emisión 51429,38 kg de CO2 eq/kWh

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Tabla 8. Tabla comparativa de consumo y gasto

Luminarias LED Luminarias inteligentes

Consumo mensual 57600,00 kWh 9830,40 kWh

Consumo anual 700800,00 kWh 119603,20 kWh

Gasto mensual 7003,58 € 1195,28 €

Gasto anual 85210, 27€ 14542,55 €

Emisión anual 301344 kg de CO2 eq/kWh 51429 kg de CO2 eq/kWh

Una vez obtenidos los resultados y comparados se puede decir que el ahorro, tanto

económico, energético y de emisiones de CO2, en la ciudad de Benissa –con un mínimo

de cuatro horas encendidas las luminarias a intensidad de nivel 2– sería de un 83%

frente la infraestructura existente.

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Para terminar este proyecto sobre el diseño de iluminación inteligente para el desarrollo

de ciudades sostenibles, se extraerán las diferentes conclusiones, desde unas conclusiones

basadas en los resultados obtenidos en el apartado de experimentación y análisis, hasta

terminar con unas conclusiones personales sobre este proyecto y las futuras

implementaciones o mejoras que pueden agregarse al sistema de iluminación inteligente.

Como se ha podido ver en el experimento y análisis arriba detallado, tanto en la situación

real de una calle –Londres– hasta el experimento de proyección hacia una ciudad pequeña

alicantina –Benissa–, crear una infraestructura urbana dotada de inteligencia en el alumbrado

público nos dará beneficios mayores a un 94%. Aunque es cierto que no se han detallado un

coste total de la infraestructura, gracias a este beneficio en las facturas anuales, será

recompensado gradualmente en los próximos años. Además, centrándose el proyecto en los

objetivos iniciales, este alumbrado público inteligente nos acercará a una ciudad inteligente,

gracias a la tecnología IoT y por ende nos llevará a cumplir los objetivos establecidos de la

ONU de un mundo mejor, con una ciudad y un mundo sostenible.

Como uno de los objetivos principales era acercarnos a un mundo sostenible, se puede

afirmar que este proceso será viable, gracias a que la instalación de este sistema urbano de

alumbrado publico nos mejora en un 95% las emisiones del CO2 en una ciudad. También se

podría corroborar que, gracias a que las luminarias permanecen gran parte del horario

nocturno en una intensidad de luz menor, no generará tanta contaminación lumínica, por lo

tanto, esto conlleva a que el vecindario colindante a la infraestructura concilie una estancia

más cómoda y placentera, brindándoles así beneficios personales y sociales.

Finalmente, estos beneficios expuestos anteriormente justifican el objetivo de este

proyecto. Es decir, el estudio y la planificación de un sistema de iluminación inteligente en

un entorno urbano, detallado en el proyecto, nos proporciona una mejora de la seguridad

vial, seguridad personal, eficiencia energética, además de la reducción de contaminación

lumínica y la reducción de costes en facturas y el ahorro energético para la contribución a

una ciudad sostenible.

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Hoy en día pensamos en el futuro, creemos en un mundo mejor y proporcionamos gracias

a la tecnología, y a expertos en la materia, una mejora en todos los campos. Día tras día y al

haber realizado una búsqueda exhaustiva sobre la tecnología basada en IoT y sobre las

ciudades inteligentes, he tomado conciencia de las grandes ideas que se tienen para conseguir

una sociedad mejorada y más acomodada y así conseguir un mundo sostenible, tanto como

para la sociedad actual como para la sociedad futura.

Con esta oportunidad, de sumergirme en proyectos que estudian el campo del alumbrado

público tanto inteligente como no, he podido expandir mis conocimientos para llegar a la

conclusión de que la infraestructura detallada será una mejora para cada uno de los usuarios

que utilicen dicho sistema en todos los aspectos. Aunque pueda parecer que estamos bien

con la tecnología LED sin patrones de conducta en las luminarias, en mi opinión, dotar de

inteligencia cada una de ellas es necesario a largo plazo. Es necesario ya que mejoramos

aspectos que deben preocuparnos, o más bien concienciarnos, como la contaminación

lumínica o el gasto energético. Se puede observar que con pocos cambios y/o ampliaciones

podemos tener una mejora de la salud, tanto individual, social como mundial –haciendo

referencia a un mundo sostenible y no como cuantía de individuos–.

Además, con las recientes noticas de que España no supera en 2018 los objetivos

marcados por la ONU, y puntúa muy bajo en el objetivo 9 y 13 –dos de los objetivos

recalcados en la introducción–, es de interés social que nos percatemos que si algo estamos

haciendo mal debemos evitar seguir haciéndolo, para crecer en el buen camino, y así

prosperar. Personalmente, creo que uno de los pilares fundamentales de este proyecto es

mejorar sostenible y energéticamente, pero además que las facturas se vean reducidas casi

un 75% del coste actual, en tan solo una calle de 400 metros, es un detalle que debemos tener

en cuenta. Con este beneficio obtenido se podría hacer una redistribución de la economía

para los espacios que realmente sean más necesarios, y así seguir consiguiendo otros tipos

de objetivos.

Es gracias a todo esto que el proyecto, en el que he estado trabajando, es una inversión

tecnológica y vanguardista para mejorar, al mundo y a nosotros mismos como sociedad, ya

que todo lo que obtenemos son grandes beneficios –económicos, sociales y ecológicos–.

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Dado que el tiempo de realización del trabajo es limitado, no se pudo cumplir todas las

partes especificadas detalladas en la arquitectura. En dicho apartado se especificaba que

existen diversos tipos de usuarios en una vía urbana, vehículos y peatones. Una vez llegados

al apartado de experimentación y análisis, tan solo se ha abordado el tipo de usuario peatón,

dejando el otro tipo de usuario vehículo a merced de otros desarrolladores el crear el

algoritmo para su posterior análisis y experimentación de este tipo de usuario. Aunque eso

podría variar los resultados del análisis obtenido anteriormente, no seria un gran impacto,

porque los vehículos suelen tener una velocidad constante mayor a la del peatón.

Otro posible aumento de la infraestructura es dotar de placas solares cada una de las

luminarias del alumbrado público, ya que este tipo de luminarias son ampliables con placas

individuales. Este añadido eliminaría las emisiones de CO2, ya que la luz vendría

directamente del sol transformándola en energía eléctrica. Además, es un proyecto que,

gracias al clima que tenemos en gran parte de la península sería útil durante gran parte del

año, excluyendo tal vez los meses invernales que se prevean nublados. Esta eliminación nos

acercaría a un mundo sostenible ya que cumpliría varios objetivos de los marcados en la

ODS que expone la ONU.

Finalmente, como futuro trabajo también se podría calcular el coste total de la

infraestructura de las luminarias escogidas en el proyecto. Tanto el precio de las luminarias,

los dispositivos agregados para dotar de inteligencia y el gasto de mano de obra. Así será

posible proyectar durante cuantos años la inversión en el alumbrado público urbano no

obtendrá un beneficio económico.

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57

1. Objetivos ONU. Recuperado de: ‘ODS Objetivos’

2. Objetivo Energía. Recuperado de: ‘ODS Objetivos’

3. Objetivo Infraestructura. Recuperado de: ‘ODS Objetivos’

4. Objetivo Ciudades. Recuperado de: ‘ODS Objetivos’

5. Objetivo Cambio Climático. Recuperado de: ‘ODS Objetivos’

6. ¿Qué es la Energía Sostenible? – El Blog de la Energía Sostenible (2012).

Recuperado de: ‘Energía sostenible‘

7. E. R. Sanseverino, G. Scaccianoce, V. Vaccaro, G. Zizzo and S. Pennisi, "Smart

city and public lighting," 2015 IEEE 15th International Conference on

Environment and Electrical Engineering (EEEIC), Rome, 2015, pp. 665-670.

8. Dynamic LED lighting - Smart Cities | Philips Lighting (2016). Recuperado de:

‘Light Empowers Places’

9. Lista IESE Cities in Motion. Recuperado de: ‘IESE’

10. ¿Qué es el desarrollo sostenible? Recuperado de: ‘Exterior Gobierno de España’

11. TStreeT Light - Control de alumbrado individual y gestión inalámbrica del

alumbrado. Recuperado de: ‘TStreeT Light’

12. Juntunen, E., Tetri, E., Tapaninen, O., Yrjänä, S., Kondratyev, V., Sitomaniemi, A.,

... & Heikkinen, V. (2015). A smart LED luminaire for energy savings in pedestrian

road lighting. Lighting Research & Technology, 47(1), 103-115.

13. Bora, S. A., & Pol, P. V. (2016, August). Development of solar street lamp with

energy management algorithm for ensuring lighting throughout a complete night in

all climatic conditions. In Inventive Computation Technologies (ICICT),

International Conference on (Vol. 2, pp. 1-5). IEEE.

14. Smart street lighting system: A platform for innovative smart city applications and

a new frontier for cyber-security Dong Jina, Christopher Hannona, Zhiyi Lib, Pablo

Cortesa, Srinivasan Ramarajua, Patrick Burgessb, Nathan Buchc, Mohammad

Shahidehpourb (2016, December), 2-8.

15. Todorović, B. M., & Samardžija, D. (2017). Road lighting energy-saving system

based on wireless sensor network. Energy Efficiency, 10(1), 239-247.

16. Lau, S. P., Merrett, G. V., Weddell, A. S., & White, N. M. (2015). A traffic-aware

street lighting scheme for Smart Cities using autonomous networked sensors.

Computers & Electrical Engineering, 45, 192-207.

17. Novatilu - Sistema de control y regulación de iluminación urbana inteligente.

Recuperado de: ‘Novatilu’

18. Cirlamp – Sistema de control del alumbrado. Recuperado de: ‘Circutor’

19. intelLIGTH - Hardware embedded. Recuperado de: ‘IntelLight’

20. Sternberglighting - Hardware embedded. Recuperado de: ‘Sternberglighting’

21. Francisco Sánchez-Rosario, David Sánchez-Rodríguez, Jesús B. Alonso-

Hernández, "A low consumption real time environmental monitoring system for

smart cities based on ZigBee wireless sensor network", 23-25 Oct. 2016.

22. Augustine Ikpehai, Bamidele Adebisi, Rupak Kharel, "Smart street lighting over

narrowband PLC in a smart city: The Triangulum case study", 23-25 Oct. 2016.

23. Jonathan de Carvalho Silva, Joel J. P. C. Rodrigues (2017) “LoRaWAN — A low

power WAN protocol for Internet of Things: A review and opportunities”

Page 68: New Trabajo Fin de Grado · 2018. 9. 27. · urbanización en curso, los crecientes problemas de movilidad, los costes de energía y, más recientemente, la desaceleración económica

58

24. M. Castro, A. J. Jara and A. F. G. Skarmeta, "Smart Lighting Solutions for Smart

Cities," 2013 27th International Conference on Advanced Information Networking

and Applications Workshops, Barcelona, 2013

25. Jorge Hiraiwa Yamanishi, Sergio L. Toral Marín (2010). “Sistema de Visión

Empotrada para la Detección de Personas en Tiempo Real”

26. Jorge García, Alfredo Gardel, Ignacio Bravo, José Luis Lázaro, Miguel Martínez,

David Rodríguez (2012). “Detección y Seguimiento de Personas Basado en

Estereovisión y Filtro de Kalman.”

27. B. Wang, G. Wang, K. L. Chan, L. Wang, "Tracklet association with online target-

specific metric learning", Proceedings of the IEEE Computer Society Conference

on Computer Vision and Pattern Recognition

28. X. Wang, W.-S. Zheng, X. Li, J. Zhang, "Cross-Scenario Transfer Person

Reidentification", IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video

Technology, vol. 26, no. 8, pp. 1447-1460, 2016.

29. Disposición de las luminarias. Recuperado de: ‘Citcea’

30. Beneficio de la iluminación pública inteligente. Recuperado de: ‘esmartcity’

31. An easy to deploy street light control system based on wireless communication and

LED technology. Elejoste P., Angulo I., Perallos A., Chertudi A., Zuazola I.J.G.,

Moreno A., Azpilicueta L., (...), Villadangos J. (2013) Sensors (Switzerland), 13

(5), pp. 6492-6523.

32. Y.M. Jagadeesh, S. Akilesh, S. Karthik, Prasanth, Intelligent Street Lights,

Procedia Technology, Volume 21, 2015, Pages 547-551, ISSN 2212-0173

33. Charla Beyond Light: Creating a next generation hybrid public clight IoT.

Recuperado de: ‘IES 2017 Street and Area Lighting Conference’

34. Kumar, S., Deshpande, A., Ho, S. S., Ku, J. S., & Sarma, S. E. (2016). Urban street

lighting infrastructure monitoring using a mobile sensor platform. IEEE Sensors

Journal, 16(12), 4981-4994.

35. Wojnicki, I., Ernst, S., & Kotulski, L. (2016). Economic impact of intelligent

dynamic control in urban outdoor lighting. Energies, 9(5), 314

36. Poulsen, E. S., Andersen, H. J., Jensen, O. B., Gade, R., Thyrrestrup, T., &

Moeslund, T. B. (2012, October). Controlling urban lighting by human motion

patterns results from a fullscale experiment. In Proceedings of the 20th ACM

international conference on Multimedia (pp. 339-348). ACM.

37. Modelo luminaria Villa LED – Philips. Recuperado de: ‘Philips’

38. Tarifa kWh 2018. Recuperado de: ‘tarifasgasluz’

39. Modelo luminaria Valentino – Schreder. Recuperado de: ‘Schreder’

40. Modelo luminaria Ochocentista – Roura. Recuperado de: ‘Roura'

41. Modelo luminaria DL 50 mini – Osram. Recuperado de: ‘Osram’

42. H Mora, V Gilart-Iglesias, R Pérez-delHoyo, MD Andújar-Montoya, HJ Compañ

Gabucio, Interactive cloud system for the analysis of accessibility in smart cities,

International Journal of Design & Nature and Ecodynamics 11 (3), 447-458, 2016.

43. H Mora, V Gilart-Iglesias, R Pérez-del Hoyo, MD Andújar-Montoya, A

comprehensive system for monitoring urban accessibility in smart cities, Sensors

17 (8), 1834, 2017.

44. H Mora, MT Signes-Pont, D Gil, M Johnsson, Collaborative Working Architecture

for IoT-Based Applications, Sensors 18 (6), 1676, 2018.

Page 69: New Trabajo Fin de Grado · 2018. 9. 27. · urbanización en curso, los crecientes problemas de movilidad, los costes de energía y, más recientemente, la desaceleración económica

59

45. H Mora, D Gil, RM Terol, J Azorín, J Szymanski, An IoT-Based Computational

Framework for Healthcare Monitoring in Mobile Environments, Sensors 17 (10),

2302, 2017.

46. H Mora, JF Colom, D Gil, A Jimeno-Morenilla, Distributed computational model

for shared processing on Cyber-Physical System environments, Computer

Communications 111, 68-83, 2017.

47. Factor de emisión CO2. Recuperado de: ‘Gobierno de España’

48. Las ciudades pequeñas y medias en España, Vilagrasa, Joan. Recuperado de:

‘cervantes virtual’

49. Censo de población y habitantes. Recuperado de: ‘INE’

50. Articulo prensa sobre cumplimientos ODS. Recuperado de: ‘Periódico ElDiario’

51. Articulo prensa sobre cumplimientos ODS. Recuperado de: ‘Periódico Público’

52. Articulo prensa sobre cumplimientos ODS. Recuperado de: ‘Periódico El País’

53. Cámara TopeCAM S130277. Recuperado de: ‘superinventos’

54. Cámara calle Abbey Road. Recuperado de: ‘earthcam’

55. Sobre nosotros – EarthCam. Recuperado de: ‘about us – earthcam’

56. Longitud de la calle la Puríssima. Recuperado de: ‘Google Maps’

57. Recorrido acortado a 95 metros. Recuperado de: ‘Google Maps’

58. Vatios promedio bombilla convencional. Recuperado de: ‘Consumidor’

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Tabla 1. Características físicas de las luminarias ofertadas en el mercado

Tabla 2. Comparativa de protocolos de comunicación

Tabla 3. Comparativa de las técnicas de sensorización

Tabla 4. Características de la cámara de vigilancia

Tabla 5. Ventajas e inconvenientes de las modalidades

Tabla 6. Tabla comparativa de consumo y gasto

Tabla 7. Potencia y cantidad de luminarias

Tabla 8. Tabla comparativa de consumo y gasto

Figura 1. Infraestructura del sistema

Figura 2. Distribución de las luminarias

Figura 3. Luminaria modelo Ochocentista

Figura 4. Diagrama de flujo Modalidad A

Figura 5. Diagrama de flujo Modalidad B

Figura 6. Diagrama de flujo Modalidad C

Figura 7. Calle escogida para el análisis

Figura 8. Peatones detectados en la vía

Figura 9. Ejemplo de falso positivo

Figura 10. Falso negativo

Figura 11. Error leve en el reconocimiento

Figura 12. Gráfico consumo anual

Figura 13. Gráfico gasto anual

Figura 14. Gráfico emisión de CO2 anual

Figura 15. Cámara vigilancia salida norte

Figura 16. Cámara vigilancia salida sur

Figura 17. Calle de la Puríssima

Figura 18. Plano de la calle de la Puríssima

Figura 19. Intensidad de luminarias en un tramo de la calle

Figura 20. Datos infraestructura Benissa calculados

Figura 21. Datos infraestructura Benissa reales

Figura 22. Datos infraestructura inteligente

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- Código para el reconocimiento de peatones, extraído de GitHub, donde el único

cambio importante se verá reflejado en la línea 21. Previamente había un valor

de 400 y para el buen funcionamiento se ha establecido en 1000.

(https://gist.github.com/bigsnarfdude/52f96f1cf345492e93d3f520a09e67a0)

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- Código para guardar imágenes del video capturado, extraído de javacreed

(http://www.javacreed.com/take-a-screenshot-of-web-page/) el código base. A

partir de la idea del código base, se creó íntegramente el siguiente código java,

se basa en una prueba. Esta prueba extrae las fotografías del video capturado por

la cámara de vigilancia.

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Se divide en diversas fotografías la infraestructura del alumbrado público de Benissa.

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Datos del alumbrado publico facilitados por el ayuntamiento de Benissa, donde se

puede ver un resumen extenso de cada cuadro eléctrico, con el total de las luminarias –

incluyendo las luminarias tipo proyector y baliza– y además el cálculo de la mediana

sobre la potencia de las luminarias del municipio de Benissa.

70 250 47 30 65 30 150 70 125 70 35 150 30 63

63 250 47 40 47 30 30 250 250 250 250 125 250 30 MEDIANA 100

63 250 30 47 30 30 30 250 250 250 106 125 63 250 MODA 250

63 250 30 100 50 30 40 250 250 250 150 250 63 125 MEDIA 124

63 150 30 40 250 40 125 250 250 250 250 150 63 250

63 100 100 30 35 30 40 250 250 250 250 150 30 250

60 100 30 40 35 150 58 250 250 30 250 250 30 21

50 70 30 47 50 40 58 250 70 250 250 80 63 250

40 40 40 40 100 30 250 250 250 30 250 70 125 125

40 30 125 100 125 250 250 150 250 40 250 70 30 30

100 30 63 100 250 250 30 250 30 250 63 40 30 100

100 100 63 125 150 250 30 250 30 70 40 40 30 30

100 125 65 30 250 250 30 250 40 125 100 50 250 125

100 30 40 30 150 250 125 250 53 250 40 250 250 30

100 125 63 30 150 250 125 250 75 150 40 30 250 125

100 250 63 150 250 250 150 250 40 250 40 250 125 250

40 30 63 30 150 250 250 250 40 150 40 30 100 58

250 100 125 30 250 250 150 30 40 150 100 250 250 75

47 30 30 150 80 250 14 150 30 45 125 250 250 30

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QUADRES LLOC P total Nº lumina nº circuits doble nivell dif.auto estat

Q01 barri dels desamparats,alacant,maset 9546 92 4 en cap,temporit no nou

Q02 avd. Ausiàs March 5625 25 2 no no be

Q03 avd. pais valencia 3000 14 2 no no vell

Q04 avd. pais valencia 13800 68 2 en cap,amb fil no be

Q05 c\ xàbia,avd. constitucio 3250 13 2 algun en cap,amb fil no nou

Q06 centre poble,barri san nicolas 21623 199 4 algun en cap,temporit si nou

Q07 de c\nou a c\ bilbao 6349 67 2 en cap,els socelec,tempo si nou

Q08 convent, escoto, sant josep 16200 99 4 regulador de fluxe si nou

Q09 avd.l'Alcudia 20583 116 2 en cap, amb fil si nou

Q10 beniver-est 11200 89 4 algun en cap,amb fil no nou

Q11 beniver-oest 5190 33 2 algun en cap,amb fil no nou

Q12 capella 15670 100 3 regulador de fluxe si nou

Q13 plaça 9 d'octubre 5750 27 6 en cap,amb fil no nou

Q14 Plaça Germans Ivars 5204 35 2 no no be

Q15 Avd. Pais Valencia-oest 9275 38 2 algun en cap,amb fil no be

Q16 molins 5325 31 2 algun en cap,amb fil no be

Q17 mirador 3750 15 1 no no be

Q18 purissima,placeta vella 2295 39 2 no no be

Q19 costera povil 4250 17 1 no no vell

Q20 voltans palau 5370 34 1 no no be

Q21 esglesia i voltans 7395 68 2 no no nou

Q22 cementiri 3100 62 2 no no nou

Q23 parque i paseo dolores piera 4400 38 3 no no nou

Q25 pla carrals 25500 110 4 en cap, amb fil no

Q26 parquing manuel bru 2750 11 1 en cap, amb fil no nou

Q27 avd. Europa 6260 30 2 regulador de fluxe si be

Q28 cementiri vell 1828 14 1 no no nou

Q29 pla bonaire 24100 102 4 en cap, amb fil no be

Q30 poligon la pedrera-oest 17950 73 4 en cap, amb fil algun circuitnou

Q31 poligon la pedrera-est 20000 82 4 en cap, amb fil algun circuitnou

Q32 urb. Magraner 18230 77 4 en cap, amb fil no nou

Q33 Fustera entrada 900 6 1 no no be

Q34 Platja Fustera 4050 27 1 no no vell

Q35 park Fustera 3144 42 2 en cap, amb fil no be

Q36 casa 100 Vents 350 5 1 no no nou

Q37 platja Pinets 490 7 1 no no be

Q38 urb. Pinets 4465 73 2 algun en cap, amb fil no be

Q39 platja advocat 4700 23 2 en cap, amb fil no be

Q40 platja Baladrar 750 5 1 no no be

Q41 Urb. Sant Jaume 2863 43 1 en cap.temporitzat no be

Q42 Pinos,Leus,Sant Anna,San Jau 5900 28 1 no no be

Q43 c\ roser 840 12 1 no no vell

Q44 c\ pinpinella 490 7 1 no no be

Q45 patis de escola musica i banda 950 20 2 no si be

Q46 raco galeno 2 be

Q47 zona costera (faroles solars) 0 51 nou

Q48 avd Garcies,Bellota 1890 27 2 no no

Q49 avd Calcides,Ferreret 1200 14 1 no ,pero esta instalat no be

Q50 avd Baladrar 640 8 1 no no be

W 338390 2216 luminaries