Ecosistema de Interoperabilidad basado en
C++/MicroPython sobre plataformas Raspberry y
ESP32
Interoperability ecosystem based on C++/Micropython on Raspberry and ESP32
Platforms
Jo
rge Niño
1
, Marcos Politi, Maximiliano Gulfo, Camilo Quiroga, Lucien Lucangioli,
Hector Laiz
Dep. De Energías Renovables, Instituto Nacional de Tecnología Industrial
General Paz 5445, San Martín, Prov. de Bs. As, Argentina
1
jnino@inti.gob.ar
Resumen — El presente trabajo describe una solución
de bajo costo basada en el procesador ESP32 y un
controlador LoRa SX1276 para control de inversores
fotovoltaicos con interfaz WiFi, tanto en lenguaje C++
como MicroPython. También se presenta una solución en
Python para Raspberry. Para la prueba del firmware se
empleó la plataforma HELTEC. Se desarrollaron además
el hardware del ecosistema con diversas funcionalidades
y un firmware configurable para manejo de múltiples
interfaces con los inversores FV.
Palabras Clave—LoRa, Raspberry, HTTP, JSON,
ESP32, WiFi, Interoperabilidad, MicroPython, Python,
IoE, IoT.
Abstract —This work describes a low cost solution
based on ESP32 processor and the LoRa controller
SX1276 for interoperability of photovoltaic inverters with
WiFi interfaces. The system firmware is developed in C++
and MicroPython. Also, this work describes a solution on
Python for Raspberry. For the test of firmware solution,
we use a HELTEC platform. This work present also, a
development of Hardware solution on PCB with more
functionalities for different kind of interfaces in PV
inverters.
Keywords—LoRa, Raspberry, HTTP, JSON, ESP32,
WiFi, Interoperability, MicroPython, Python, IoE, IoT.
I. INTRODUCCIÓN
Los inversores on-grid están diseñados para operar
interconectados a la red eléctrica. Cuando hay energía solar
disponible, el sistema alimenta esta energía a la instalación
eléctrica que la requiera, y cuando la energía solar generada
no es suficiente para satisfacer la demanda, el sistema dirige
la energía de la red eléctrica. Si se genera más energía solar
que la necesaria, la energía se inyectaría a la red. En
determinados modelos de inversores fotovoltaicos se pueden
encontrar tanto interfaces MODBUS como WiFi [1], que
permiten acceder tanto a los datos de operación del inversor
como a los parámetros de configuración y operación del
mismo.
Se desarrollaron una serie de equipos capaces de
interactuar con el inversor, en una red local dentro del rango
del propio inversor. Los sistemas desarrollados están basados
en un microcontrolador de 32 bits de ESPRESSIF, el ESP32,
con el cual se realiza la comunicación con los inversores
fotovoltaicos y la plataforma Raspberry Pi modelo 3B+. Se
implementaron dos versiones del firmware, en MicroPython
y C++. Esta estrategia permite diversificar los equipos y la
potencia de procesamiento, que da flexibilidad al despliegue
de gran cantidad de equipos, en redes complejas. Para la
interfaz entre nodos de una red distribuida y el concentrador
o Gateway [2], el sistema de comunicación escogido es LoRa,
basándose en un controlador SX1276. Para el propio
Gateway se emplea tanto el ESP32, programado bajo el
firmware en C++, como una Raspberry programada en
Python conectada a un controlador SX1276.
II. ESQUEMA GENERAL
A. Topología de dispositivos
La topología de la red, descripta en la Fig. 1, muestra al
inversor conectado a la red local, mientras que el
concentrador o Gateway accederá al servidor AWS donde se
encuentra la plataforma de smartgrid. Por otro lado, se
mantiene la conexión del equipo MODBUS-ETH [3].
Fig. 1: Sistema de operación de inversores mediante Gateway-Nodo.
B. Reversebilidad y flexibilidad
La implementación de los nodos y Gateway WiFi-LoRa se
realizó de tal manera que se puedan configurar sus funciones
mediante una serie de macros, obteniendo flexibilidad y
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Recibido: 29/09/23; Aceptado: 04/12/23
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.7.2.183.2023
Technical Report
sencillez en su puesta a punto, además de independizar el
código del hardware en cierta medida, ya que la plataforma
en ambos dispositivos puede ser la misma.
III. HARDWARE DEL EQUIPO.
El hardware del dispositivo fue diseñado en base a un
ESP32 como procesador central, un módulo LoRa RFM95
que integra el controlador SX1276. A continuación, se
detallan los componentes de cada parte del circuito.
A. Fuente de alimentación
Se empleó para la fuente de alimentación un regulador
LM2576 [4], configurado para entregar 5 V, con una fuente
de 12 VDC externa. Se utilizan tres reguladores LM1117 para
obtener alimentación de 3.3 V y así poder suministrar
suficiente corriente para todo el sistema.
B. Microcontrolador y Chip LoRa
Se conectó al módulo ESP32-WROOM, una serie de
periféricos (conectores para sensores) y la interfaz SPI para
el controlador LoRa.
Fig. 2: Sub-circuito LoRa
El hardware cambia en función de la modalidad del nodo o
GTW (Fig. 2) en el caso de tratarse de un Hardware para
Nodo, se añaden más salidas para control de sistemas de
operación (Relés, drivers de potencia), mientras que en los
Gateway solo interesan las distintas conectividades (LoRa,
WiFi, ETH, GSM/GPRS) aunque se disponen de algunas
salidas para control.
Fig. 3: Sub-circuito principal ESP32
C. Ethernet y otros perifericos
Se desarrollaron varias versiones de PCB (En la Fig. 3 se
observa la versión para SIM808), entre ellas, se implementó
una versión ETH-LoRa y otra con GPS y LoRa, dejando un
conector libre para conectar un módulo Ethernet. En el primer
caso, el circuito de Ethernet consiste en el adaptador SPI-
ETH W5100 [5].
Una de las versiones de PCB incluye un chip SIM808, que
incorpora un controlador GSM/GPRS con un periferico GPS
y Bluetooth lo cual dota al sistema de la capacidad de emplear
conexiones satelitales y celulares. En esta versión se incluye
asimismo, el circuito para la operación de la memoria SD
necesaria para el SIM808 que emplea la memoria SIM para
la operación celular, así como las conexiones Serial y SPI
para comunicarse con el microcontrolador central (ESP32).
Por otro lado, una vez terminada, la primera versión del
sistema se implementó como GTW (Fig. 4).
Fig. 4: PCB del equipo operando como GTW por WiFi.
D. Ecosistema en detalle.
A continuación, se detallan en la Tabla 1 los equipos con el
procesador de base, el lenguaje empleado para la
programación y su característica de operación:
Tabla 1.
Tabla de características por equipo.
Característica
Procesador
Lenguaje
Nodo/Gateway
ESP32
C++
Nodo
ESP32
µPython
Gateway
Broadcom-Raspberry
µPython
Gateway
ESP32
C++
IV. IMPLEMENTACIÓN DEL CÓDIGO
Para la implementación del código se emplearon las
bibliotecas estándar de LoRa para ESP32, tanto en su versión
para HELTEC como para módulos WROOM [6] [7]. Se
incluyó una biblioteca desarrollada para inversores SMA,
pero solo para la lectura través de JSON/HTTP [8], la cual se
modificó intencionalmente para operar los parámetros del
mismo. Para el sistema basado en MicroPython, se emplearon
una serie de bibliotecas estándar que están ampliamente
probadas, entre ellas la “u-lora” [9], que provee todas las
funciones necesarias para operar en Python el controlador
SX1276. Se implementó una máquina de estados general y un
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método de macros y condicionales, para poder configurar
fácilmente características del hardware en el cual se programa
el firmware para C++. El mismo modelo de máquina de
estados fue empleado para realizar el núcleo operativo del
sistema sobre MicroPython.
A. Modificación de la bilbioteca SMA-Reader
Para leer el inversor SMA [10], se empleó la biblioteca
SMA-Reader. Sin embargo, dicha biblioteca no tiene
implementadas las funciones de operación sobre parámetros
SMA. Por lo tanto, se implementaron una serie de funciones
que permiten acceder a las “Keys” del SMA que contienen
los parámetros del SMA que son de escritura/lectura. A
continuación, se muestran los prototipos de las funciones
implementadas:
1.- getAllParams()
2.- setParams(const String* key, uint32_t values)
La primera función permite extraer los parámetros sean
cuales sean y sus correspondientes “claves” (direcciones). La
segunda permite escribir en la “Key” correspondiente, un
dato o una cadena de símbolos según sea necesario.
La función “setParams” genera un “postText” que se pasa
a la función estándar del “postSMA”, y el Json debe tener el
siguiente formato:
"{\"destDev\":[],\"values\":[{Key(string):Dato(Tipo adecuado)}]}"
B. Implementación de Maquina de estados general
Se implementó una máquina de estados como en la Fig. 5.
La misma permite realizar una secuencia de operaciones para
realizar la comunicación con los periféricos de inversores y
mediante LoRa, en ambos casos bidireccionales.
Fig. 5: Diagrama de Flujo de MdE principal.
Mediante una serie de macros se configuraron directivas
para que el firmware pueda operar según la plataforma de
hardware en la cual se está grabando. Este sistema de macros
permite configurar el hardware sin tener que modificar la
máquina de estados.
Esta implementación se realizó también en Python (Fig. 6)
empleando las bibliotecas correspondientes y compilando la
biblioteca SMA para poder ser usada por Pyhton.
Fig. 6: Implementación de MdE en µPython.
Finalmente, se implementó el Sistema Nodo-Gateway
sobre el inversor SMA. El Gateway fue ubicado dentro de una
oficina a 300 metros del inversor y, como la red local de la
institución es accesible desde todos los puntos, se aprovechó
para colocar el nodo, primero cerca del inversor, pero luego
en la misma oficina del Gateway (Fig. 7)
Fig. 7: Nodos recibiendo datos del inversor por la Red Inalámbrica a
distancia.
V. IMPLEMENTACIÓN DE DASHBOARD DE CONTROL
En esta implementación se utilizó una instancia del sistema
operativo Ubuntu Server 18.04 LTS, que torga la posibilidad
de desplegar la VM (Virtual Machine) de manera estándar, o
bien configurar parámetros a elección. Se eligen en este caso,
algunas especificaciones estándar.
Como resultado ha quedado, una instancia con 1 CPUt2.
micro, con 1 GB de memoria RAM, y 10 GB de disco duro,
con los puertos HTTPS 443, HTTP 80, MQTT 8080 8083,
FTP 21, para poder acceder al servicio instalando un servidor
Apache y de esta manera ofrecer el servicio de frontend
deseado.
A su vez se habilitó también el puerto1880, que fue
utilizado para poder acceder al servicio NodeRed [11] [12],
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que es la plataforma desarrolladora de aplicaciones a través
de programación que combina lo visual por medio de flujos,
y que fue implementada en el presente trabajo para
interactuar las bases de datos.
Una vez que la instancia fue desplegada a través de PuTTY,
se accedió a la misma para instalar los paquetes mosquitto y
NodeRed dado que utilizaremos este paquete para desarrollar
la plataforma de visualización.
Luego se procedió a la instalación de los paquetes de
seguridad, para ello debe se instaló el paquete de seguridad
de nodered.
De esta forma, la aplicación y sus datos quedan protegidos
por medio de usuario y contraseña. Posteriormente, para que
los flujos de NodeRed queden corriendo constantemente
(Fig. 8) se instalaron los siguientes paquetes pm2, luego start
node-red.
Figura 8: NodeRed iniciado.
Una vez desplegados los flujos e instalado el paquete
Dashboard de NodeRed, se disponen los nodos y flujos de tal
manera que podamos implementar la solución que deseamos.
Para poder guardar la información reportada de los
endpoint se instaló MySQL.
Luego, se procedió a construir una base de datos y tablas
para almacenamiento de datos, una para cada magnitud a
visualizar.
VI. INTERACCIÓN NODERED MYSQL
En NodeRed fue necesario el despliegue de flujos que fuera
consecuentes con la recopilación de datos a través del Broker
de mosquitto, y la interacción con MySQL.
Finalmente fue posible concebir un sistema que interactúe
con sistemas fotovoltaicos que permitan la integración de los
mismos en una misma plataforma, con la posibilidad de
visualizar en vivo, valores históricos y gestionarlos (Fig. 9)
Figura 9: Índice sitio smartgrid.ar
En el índice de dicha página se incluyó la posibilidad de
visualización de datos en vivo, como así también datos
históricos, y su descarga, tal como puede observarse en la
figura 10.
Figura 10: Visualización de valores históricos de potencia.
Sobre el servidor AWS previamente funcional, se agregó la
funcionalidad para operar un parámetro en particular: límite
de potencia activa (Fig. 11).
Fig. 11: Dashboard mostrando el sistema de control del parámetro.
En la plataforma fue posible observar la evolución diaria
del sistema interoperable (Fig. 12), y controlar el límite de
potencia activa del inversor.
Fig. 12: Dashboard mostrando los datos de control del panel, AMI001
corresponde a un equipo de una versión previa basada en ATMega328
mientras que el AMI003 al sistema basado en ESP32.
Se obtuvieron también las curvas correspondientes al
sistema bajo control con la limitación de potencia, que son
almacenadas en la plataforma AWS (Fig. 13).
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Fig. 13: Curva de día de operación del inversor con recorte de Potencia
Activa.
VII. RESULTADOS Y CONCLUSIONES
La implementación del sistema WiFi-LoRa, permite una
aproximación mucho más sencilla y nos permite acceder y
controlar el inversor. La capacidad del sistema de configurar
parámetros de operación del inversor, permite la
implementación de estrategias de control en redes inteligentes.
La solución implementada es de bajo costo (U$S 50) para el
sistema ESP32-ESP32 mientras que el costo es
significativamente mayor para el par ESP32-Raspberry
(U$S200). Sin embargo, este último permite mayor
flexibilidad y capacidad de procesamiento. Ambos sistemas al
usar la misma máquina de estados y protocolo propio, pueden
convivir en la red e intercambiar información, permitiendo
generar un ecosistema flexible, intercambiable y
reprogramable de fácil uso para sistemas de interoperabilidad.
En futuros trabajos se implementará el sistema ya diseñado
con herramientas de Machine Learning para predicción de
demanda y oferta de energía.
RECONOCIMIENTOS
Se agradece a la subgerencia de Energía y movilidad de
INTI-Miguelete por el apoyo.
REFERENCIAS
[1] Politi, M., Niño, J. A., Gulfo, M. & Laiz, H. , “Equipo de
Interoperabilidad para inverosres fotovoltaicos” En Actas del
Congreso Argentino de Sistemas Embebidos (CASE 2021), 2021, pp.
175–177. ISBN 978-987-46297-8-4
[2] LoRa Alliance (2020, Junio), [Online]. Disponible: https://lora-
alliance.org/about-lorawan
[3] Modbus Messaging on TCP/IP (2006). MODBUS Messaging on
TCP/IP Implementation Guide V1.0b. Modbus Organization
[4] Switcher, Simple. “LM2576/LM2576HV Series SIMPLE SWITCHER
® 3A Step-Down Voltage Regulator.” (1999).
[5] “Chip W5100” (©2011 WIZnet Co., All Rights Reserved), [Online].
Disponible: https://www.wiznet.io/product-item/w5100/.
[6] HelTec Automation. “Heltec_ESP32” (2019), [Online]. Disponible:
https://github.com/HelTecAutomation/Heltec_ESP32
[7] Sandeep Mistry. “arduino-LoRa” (2016), [Online]. Disponible:
https://github.com/sandeepmistry/arduino-LoRa
[8] Pkoerboer. “SMA-Reader” (2020), [Online]. Disponible:
https://github.com/pkoerber/SMA-SunnyBoy-Reader.
[9] Martyn Wheeler, “u-lora” (2021), [Online]. Disponible:
https://github.com/martynwheeler/u-lora.
[10] SMA SunnyBoy FV On-Grid Inverter SB1.5-2.0-2.5 Documentación.
[Online]. Disponible: https://www.sma.de/es/productos/inversor-
fotovoltaico/sunny-boy-15-20-25
[11] Herramienta de programación de flujo NODE-RED [Online].
Disponible: https://nodered.org/
[12] Software abierto de para programación de broker MQTT[Online].
Disponible: https://mosquitto.org/
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