Internet de las Cosas en Entornos Académicos.
Caso de Éxito en la Universidad de Misiones
Milton E. Sosa, Eduardo O. Sosa
Secretaría de Investigación y Posgrado (SECIP)
Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales – Universidad Nacional de Misiones
Félix de Azara 1552 – N3300LQH Posadas – Argentina
{mesosa, es}@fceqyn.unam.edu.ar
Resumen -- Actualmente, los equipos y artefactos destinados
a la iluminación, ventilación y acondicionamiento del aire, en los
ambientes de la Universidad de Misiones, se controlan de forma
completamente manual. Se ha comprobado que dichos equipos
y artefactos permanecen conectados inclusive en ausencia de
alumnos y docentes, no existiendo a la fecha control y actuación
alguna sobre la temperatura ambiente y/o iluminación. El
presente trabajo introduce el desarrollo inicial de un sistema de
control automatizado inteligente de equipos y aparatos,
morigerando así costos y aportes al efecto invernadero. La
solución planteada se lleva a cabo con ayuda de componentes
económicos y usufructuando la infraestructura física existente
en la dependencia. El sistema realiza el monitoreo, control de
luminarias y de los equipos de acondicionamiento de aire, así
como también, la presencia de personas en los ambientes. La
central permite el accionamiento y control de los módulos en
forma remota por medio de una aplicación desarrollada al
efecto.
Abstract: Lighting, ventilation, and air conditioning
environments at the Universidad Nacional de Misiones are
variables manually controlled even today. It is a fact that devices
remain connected even in the absence of students/teachers, with
no control or capacity of implement some action on
temperatures or artificial/natural lighting. It is necessary to
start an intelligent automated control of equipment and
appliances, to reduce substantially the energy cost and to
contribute to cut down the greenhouse effect. The proposed
solution is carried out by using non-expensive components and
the existing physical infrastructure in the location. The system
performs monitoring, control of lighting and air condition
equipment, as well as the presence of people in the
environments. The control unit allows driving and monitoring
the built modules by an application developed for the purpose.
I. UN DÍA DE CLASES EN LA FACULTAD
Juan y Carla estudian Ingeniería Química en la Facultad
de Ciencias Exactas, Químicas y Naturales (F.C.E.Q.y N.) de
la Universidad Nacional de Misiones (UNaM). Los días
viernes ambos deben asistir a clases en el módulo de la
facultad construido en el Campus Universitario,
conjuntamente con la cohorte a la que pertenecen. El Campus
Universitario está situado aproximadamente a 8 kilómetros
de los centros residenciales en la ciudad de Posadas. El día es
nublado y caluroso, la temperatura primaveral alcanza los
31ºC. Los empleados administrativos entregan a los
profesores de la clase las llaves de aulas habilitando su
ingreso junto a los alumnos. En ese mismo momento
encienden las luces del aula 7 donde se dictará clase ese día,
1
Tecnologías de la Información y Comunicación
y con el afán de mejorar las condiciones del aula se encienden
los equipos de aire acondicionado (AA), los que se
configuran de tal manera de mantener una temperatura en el
aula de 24ºC. Considerando que el horario de trabajo del
personal administrativo no coincide necesariamente con el de
dictado de clases, el personal administrativo que cumple esas
tareas se retira. Finalizada la clase, Juan y Carla se retiran a
sus domicilios para así iniciar su merecido descanso del fin
de semana, haciendo lo mismo los profesores.
El próximo día laborable al presentarse a cumplir sus
funciones, probablemente el día lunes en la mejor de los
casos, los administrativos comprueban que en el aula 7 la
iluminación y los equipos de AA están aún funcionando.
La situación planteada es moneda común en la facultad,
donde en algunos entornos en los cuales no existen equipos
AA, existen ventiladores de techo, y en ciertos ambientes
existen ambos elementos para confort de alumnos y
profesores.
Considerando que el total de dependencias de la facultad
incluye cerca de 75 aulas y laboratorios, sin considerar las
dependencias administrativas, potencialmente la situación se
podría reproducir 74 veces. Amén de los peligros que
representa para cada uno de los entornos el funcionamiento
de equipos sin supervisión y control, han transcurrido más de
60 horas, sin solución de continuidad, en los cuales se han
estado dilapidando los exiguos recursos de las arcas de la
Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales.
Lo expuesto hasta aquí, representando una situación cuasi
absurda, demuestra la necesidad de establecer algún método
inteligente de control y actuación sobre los elementos
instalados en la Facultad.
II. INTRODUCCIÓN
La Internet de las Cosas (IoT, Internet of Things)
representa un nuevo ambiente de cosas u objetos
unívocamente identificables, los cuales pueden comunicarse
entre ellos formando una red dinámica de alcance global [1].
La idea de IoT ha evolucionado y hoy en día las cosas no sólo
se limitan a objetos identificables por RFID, sino que
también involucran sensores, actuadores, o cualquier otro
tipo de elemento, conectados a una red física y siendo
identificables unívocamente.
Los entornos inteligentes representan escenarios
avanzados de aplicación de las TIC´s
1
, mediante las cuales
interaccionan objetos de uso cotidiano en continua evolución
como herramientas transparentes para usuarios no
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Recibido: 10/11/16; Aceptado: 30/06/17
experimentados. Los entornos inteligentes han surgido
rápidamente como un paradigma nuevo y emocionante que
tiende a incluir diferentes campos de investigación de la
computación ubicua y en red [2]. Podemos definir entonces a
los ambientes inteligentes como “aquellas tecnologías
significativas que se mimetizan entretejiéndose en la trama
de la vida cotidiana hasta que se tornan indistinguibles de la
vida misma” [3]. A partir del año 1999 se ha aplicado el
término "Inteligencia Ambiental –AmI" [4] para describir
una visión donde "las personas estarán rodeadas de interfaces
inteligentes e intuitivas embebidas en objetos cotidianos de
nuestro alrededor y un entorno que reconoce y responde a la
presencia de individuos de manera invisible”. Un entorno
inteligente es el espacio integrador de un entorno físico con
una colección de sistemas embebidos dedicados a la
recopilación de información de un escenario determinado en
un contexto heterogéneo [5] existiendo una infraestructura
capaz de almacenar, compartir, entender y manejar esta
información
En los edificios inteligentes se utilizan microcontroladores
y sensores para automatizar diversos parámetros, entre ellos
la iluminación y el acondicionamiento del aire, constatando
la presencia de individuos tendiendo al ahorro energético y a
una utilización más eficiente de la energía y al confort de los
ocupantes de un ambiente. Domótica es un término de la
tecnología de la información y la comunicación que se utiliza
en edificios donde diversos componentes se comunican a
través de la red local. Esta tecnología se puede aplicar para
controlar, prevenir y actuar de acuerdo con los criterios
seleccionados. Así cada uno de los elementos de la red es
capaz de comunicarse con otras “cosas” del entorno a través
de Internet, teléfonos fijos o teléfonos móviles. Un edificio
inteligente es un tipo de edificio con tecnología instalada
propia de los ambientes inteligentes [6].
La integración de las redes de sensores inalámbricos con
la red cableada tradicional plantea diversos retos técnicos [7],
centrados fundamentalmente en el desarrollo de sensores y
de la infraestructura de redes de sensores (WSN).
En el contexto descripto, entre las cuestiones más difíciles
de considerar se encuentran las de: ¿Cómo evaluar, construir
y mantener un servicio en un ambiente inteligente de manera
sustentable? ¿Cómo puede la sociedad donde habitamos
disfrutar de éste pretendido estándar de vida elevado sin
afectar a la naturaleza y el ambiente?
Para hallar respuestas válidas a las cuestiones precedentes,
debemos hacer converger a los diferentes campos
tecnológicos y sociales para que cooperen en el
establecimiento del servicio pretendido. La evaluación de la
sustentabilidad de las aplicaciones ha comenzado a ocupar un
lugar preponderante en la concurrencia de mejorar la
tecnología y reducir el consumo de recursos naturales
existentes [8].
Las oficinas inteligentes surgieron como concepto durante
la década pasada en Alemania. Gran parte de nuestra vida la
pasamos en oficinas, por lo que éstas deberían ser sitios
amigables que brindan un entorno agradable para sus
usuarios. Pero, ¿Qué es una oficina inteligente? Se considera
así a aquella que reconoce las actividades que se desarrollan
en su entorno, siendo capaz de realizar un análisis de lo
consumido, desperdiciado y gastado de los recursos
disponibles. En tal sentido, debemos tener presente que los
edificios, en forma global, son responsables del consumo de
17% del agua dulce, 15% de productos maderables, 33% de
emisiones de CO2 y 40% de energía y materiales [9].
Se conocen como ambientes inteligentes a aquellas
tecnologías que se presentan como sensibles, receptivas,
adaptables, transparentes, omnipresentes e inteligentes [10].
Todos estos ambientes deben permitir la posibilidad de
interacción entre los diferentes elementos que conforman los
distintos entes. Se entiende por interoperabilidad [11], a la
capacidad que poseen las entidades participantes en una
comunicación de: 1) compartir cierto tipo de información, 2)
procesar esa información de acuerdo a una semántica
operacional previamente acordada.
Los hogares y oficinas inteligentes unifican el hecho de
utilizar sensores y las tecnologías de la información de forma
transparente para electrodomésticos y elementos de oficinas
[12], tratando de administrar el uso eficiente de la energía a
través de redes inteligentes. Esta es la base de construcción
de Smart Grids, siendo éste tipo de redes de energía la fusión
de redes eléctricas existentes y de los sistemas de
comunicación para controlar los elementos de la red,
beneficiando tanto a instalaciones residenciales como
industriales y comerciales.
En el dominio emergente de las redes de sensores existe
una amplia variedad de dispositivos con diferentes
capacidades, desde sistemas relativamente potentes con
procesadores de ordenadores y las interfaces inalámbricas de
banda ancha -IEEE 802.11-, a otros de mucho menor
capacidad, siendo los mismos nodos de baja potencia de
cálculo, almacenamiento y transmisión. En este entorno es
preciso contar indefectiblemente con herramientas de
automatización avanzadas, las cuales deberán ser capaces de
implementarse por medio de nóveles tecnologías de medición
[13].
En este trabajo se considera que una arquitectura basada
en múltiples agentes -que aplican inteligencia y colaboración
para actuar sobre determinados elementos distribuidos -
definidos por el usuario- puede resolver procesos de decisión
complejos, dinámicos, tal como los objetivos planteados en
esta implementación de ambientes inteligentes.
El enfoque se fundamenta en el hecho que los
acontecimientos internos del ambiente, generados ya sea por
deseo de un usuario determinado o por una situación en el
entorno; necesariamente deben ser controlados. Frente a un
caso de incendio no se pretende activar simplemente una
alarma. En tal caso, lo que se pretende -sobre la base de los
servicios disponibles en términos de alarmas, rociadores, y
puertas- es inferir el estado del ambiente y la ubicación de sus
usuarios, para luego componer los servicios que garanticen la
máxima seguridad para los alumnos o profesores presentes,
así como también, la protección del edificio en sí mismo. Esta
filosofía de diseño para entornos como los considerados en la
UNaM, aportan también un valor agregado fundamental, y es
que el sistema puede exportarse a instituciones similares con
una reconfiguración mínima. De hecho, el mismo evento se
tratará de manera diferente en diferentes lugares,
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simplemente porque los servicios disponibles serán distintos,
como también lo será el ambiente.
III. TRABAJOS RELACIONADOS
Redes, sistemas y ambientes inteligentes son términos
utilizados comúnmente por diversas comunidades, pudiendo
encontrarse diferentes investigaciones aplicadas en distintos
campos. En tal sentido, se pueden referir algunos trabajos
relacionados a la construcción de ambientes residenciales y
comerciales que se comportan inteligentemente ante
diferentes situaciones propias de cada entorno. En su gran
mayoría, tales trabajos refieren a ambientes domésticos –cf.:
[14], [15], [16], [17]. Por otra parte, y en menor media, otros
trabajos refieren a edificios y oficinas –cf.: [18], [19], [20],
[21]. Asimismo, la mayor parte de los trabajos tienden a ser
bastante genéricos en la introducción de arquitecturas de alto
nivel y, por lo general, carecen de un reporte detallado de
experimentación, considerando frecuentemente sólo una
simulación del consumo de energía de los dispositivos.
El control a nivel de dispositivos se basa, generalmente, en
trabajos de redes inteligentes considerando aspectos de
precios, los cuales son un buen indicador de la disponibilidad
de energía. En tales trabajos se consideran sistemas basados
en agentes que negocian en un mercado virtual de
administración de la energía [22] y, en algunos casos,
haciendo uso también de estrategias propias derivadas de la
Teoría de Juegos –cf.: [23], [24].
Por lo general, las acciones sobre los dispositivos reales en
instalaciones propuestas solamente se simulan –cf.: [25],
[26]- mientras que sólo unos pocos enfoques informan sobre
el control realmente realizado a los ambientes, y las
actuaciones realizadas en los mismos.
IV. MATERIALES, MÉTODOS E IMPLEMENTACIÓN
A. Infraestructura TI de la Facultad de Ciencias Exactas,
Químicas y Naturales (FCEQyN)
La infraestructura de tecnología de información –TI- de la
FCEQyN comprende a los recursos de tecnología
compartidos que proporcionan la plataforma para las
aplicaciones de sistemas de información específicas de la
Facultad. Dicha infraestructura incluye hardware y software
que se comparte a través de toda la facultad; ergo son los
elementos sobre los cuales se basan los diferentes servicios
necesarios para mantener en funcionamiento todos los
engranajes de la dependencia, tanto a nivel de docencia, de
investigación o de gestión interna.
La red de datos de la facultad es, por necesidad, amplia y
compleja. Esta red presenta distintos tipos de usuarios, tanto
internos como externos, y llega a todas las dependencias de
la facultad ofreciendo múltiples servicios; esto hace que se
trabajen diversas subredes y cientos de nodos conectados a
ella.
En las diversas dependencias de la facultad la
infraestructura se basa en cableado estructurado, haciendo
uso asimismo de accesos a redes inalámbricas sin controles
centralizados de acceso tales como RADIUS o TACACS. Se
conoce como cableado estructurado a la instalación integrada
basada en estándares, de manera tal que se puedan prestar
diversos servicios a través del mismo, por ejemplo, datos, voz,
video y control, pudiendo prestarse entonces todos los
servicios por un cableado en común. El sistema de cableado
de la facultad, correctamente diseñado e instalado, provee a
los usuarios de una infraestructura con un desempeño
predecible y con una capacidad de expansión por crecimiento
vegetativo en un periodo prolongado.
B. Implementación de TIA/EIA-485
Habida cuenta que existe una infraestructura de cableado
estructurado que recorre los ambientes a ser controlados, por
cuestiones económicas y de funcionalidad se ha seleccionado
una alternativa que utilice medio de transporte soportado por
el cableado estructurado, en éste caso EIA-485.
Está definido como un sistema en bus de transmisión
multipunto diferencial, permitiendo transmitir a altas
velocidades largas distancias a través de canales ruidosos, ya
que reduce los ruidos que aparecen en los voltajes producidos
en la línea de transmisión. El medio físico de transmisión es
un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo
par, con una longitud máxima de 1.200 metros operando
entre 300 y 19200 bps y la comunicación semiduplex (ver
Figura 1). La transmisión diferencial permite una
configuración multipunto, que al tratarse de un estándar
abierto y común permite diversas configuraciones y usos.
Fig 1. Bus de datos EIA RS-485
Las ventajas de esta norma para para su utilización con
microcontroladores son su bajo costo, la capacidad de
interconexión, la longitud de enlace y la tasa de transferencia
[27].
C. Hardware
El hardware ideado, desarrollado e implementado forma
parte de una red de topología bus (maestro/esclavo). Definida
la convivencia de diferentes medios de comunicación, se ha
desarrollado una adaptación híbrida; de esta manera la
implementación permite comunicaciones por cables o
inalámbrica.
El nodo maestro consta de una computadora de bajo costo
Raspberry Pi [28] a la cual se adaptó un conector USB-
EIA/485 [29] desde el cual inicia el bus de comunicaciones
RS-485 [30], realizando múltiples saltos de manera que cada
nodo esclavo forme parte de la red. Este nodo se encuentra
solidariamente configurado para formar parte de la red IPv4
de módulo Campus de la FCEQyN. Acceder desde el mundo
exterior al nodo maestro para las tareas definidas ha
requerido de apertura de ciertos puertos, y permisos por
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medio de ciertas reglas en diferentes cortafuegos de la
facultad y de la Universidad.
Como escenario piloto en las dependencias se
seleccionaron dos aulas modelo, las aulas 7 y 8 del anexo del
campus de la FCEQyN. Cada uno de los nodos esclavo a
instalar en las aulas ha sido desarrollado específicamente
para ésta aplicación.
Cada nodo consta de un microcontrolador PIC 18F2550
[31], el cual ha sido seleccionado debido a que su arquitectura
de 8 bits es suficiente para desarrollar las operaciones que se
requieren; y todas las herramientas necesarias, de
programación como de compilación, son de libre y fácil
acceso, asegurando de ésta manera una adecuada
implementación libre de restricciones.
Todos los componentes de la implementación son
controlados y accionados por el microcontrolador. Las tareas
cumplidas por cada nodo son las siguientes:
a) Determinación de la temperatura ambiente por medio
de un sensor de bajo costo LM35 [32].
b) Control de condición y estado de funcionamiento de
los equipos de aire acondicionado, monitoreados a
través de un sensor de falta de fase ubicado en bornes
de la alimentación de cada equipo
c) Control por medio de contactores del tipo normal
cerrado de la alimentación de la energía eléctrica a los
acondicionadores de aire.
d) Monitoreo de presencia de personas en los diferentes
ambientes
Para realizar el monitoreo de la presencia de individuos en
los diferentes ambientes, el microcontrolador releva el estado
de una señal proveniente de sensores de movimiento
convencional, del tipo utilizado frecuentemente en sistemas
de alarmas domiciliarias.
El nodo maestro se ha dispuesto físicamente en el rack de
servidores y equipos del edificio. Adosado al tablero de
energía se ha instalado el nodo actuador de corte de energía
(Figura 2). Para que cada uno los nodos realicen la captura de
datos, o realice alguna acción sobre los equipos y o artefactos
involucrados, el nodo maestro debe enviar el comando
específico.
Fig. 2. Módulos desarrollados e implementados para tablero de control
(izquierda) y diferentes aulas (derecha)
2
Linux, Apache, MySQL y PHP-Python-Perl
D. Software
En el nodo maestro se ha implementado LAMP
2
definiendo la infraestructura de un servidor web,
seleccionado por su bajo coste de adquisición y ubicuidad de
sus componentes.
El software desarrollado e implementado en el nodo
maestro realiza las siguientes tareas: a) consulta el estado de
los diferentes nodos esclavos, b) registra los estados de los
nodos en una base de datos MySQL c) presenta la
información sobre los nodos esclavos al usuario final a través
de una interfaz web (Figura 3), d) envía mensajes de alerta
cuando alguno de los nodos falla, y e) interrumpe la
alimentación de todos los nodos en caso de ser necesario
.
Fig 3. Informe web de variables controladas
Desde el nodo maestro se cumple con la función de
monitorear el estado de las luminarias de las aulas y de los
equipos AA, los cuales en caso de estar encendidos deben
corresponderse con la presencia de individuos en los entornos
bajo monitoreo. En caso de ausencia de notificación de
presencia/movimiento, sumado a la temperatura del ambiente
que es indicativa del funcionamiento de los equipos de aire
acondicionado es posible interrumpir los circuitos de
alimentación a los equipos. Como indicación de circuitos
activos se ha instalado un sensor de falta de fase.
Si bien este sistema está diseñado para reaccionar de
manera autónoma ante eventos que se pretenden controlar, se
ha desarrollado una aplicación, la que siendo implementada
en el nodo maestro, es accedida y controlada por medios de
claves desde escenarios remotos, en el edificio central. La
aplicación remite alertas por e-mail y Telegram [33] a la
secretaría administrativa reportando algún tipo de evento
(Figura 3).
Ante estas situaciones, es posible acceder por medio de
protocolo HTTP al nodo maestro, donde se obtiene
información en formato web los parámetros físicos tiempo
real de las aulas. Considerando que las decisiones finales son
tomadas por el personal destacado al efecto, es posible
ejecutar acciones correctivas de manera remota. Ergo, es
posible interrumpir la alimentación de energía tanto a los
equipos de AA, o de alimentación de luminarias activando
los contactores secundarios que son del tipo normal cerrado.
El normal funcionamiento de los contactores, ante
cualquier inconveniente de falta de energía en la red de la
proveedora, se ha asegurado alimentando las bobinas de los
relés directamente desde los sistemas ininterrumpidos de
energía (UPS) existentes en el edificio.
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Fig 3. Reporte de variables por Telegram
Fig. 4a.- Diagrama esquemático del adaptador de medios de comunicación
Fig. 4b.- Diagrama esquemático del adaptador de medios de comunicación
Si hipotéticamente, en un futuro próximo, se presenta la
necesidad de una implementación híbrida - y para asegurar la
escalabilidad, robustez y vida útil del sistema- se ha diseñado
e implementado un nodo capaz de adaptar los niveles de señal
desde el estándar EIA RS-485 (5 V) a la tensión necesaria en
la lógica transistor-transistor (TTL) de 3,3 V, siendo ésta la
tensión de operación los diferentes nodos disponibles en el
mercado local. Este módulo no participa de forma activa de
la red, ni generando información ni actuando de manera
alguna; únicamente compatibiliza los medios de
comunicación, siendo totalmente transparente para el medio
cableado (RS-485) como para el medio inalámbrico (WSN).
El diagrama esquemático se presenta en la figura 4a y 4b [34].
V. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
La utilidad de Internet e IoT no es solamente encender las
luces y desconectar los equipos causantes de despilfarro. La
red llegará, en algún momento de su evolución, a ser
indistinguible de los dispositivos que conecta; los cuales se
convertirán en sí mismos en el ordenador.
Los rápidos avances de la microelectrónica y los
transceptores de bajo costo han permitido nodos sensores con
mayores rangos de lectura y tasas más elevadas de
transferencia. La tecnología es ahora viable para nuevas
aplicaciones novedosas con mayor movilidad y gran número
de nodos. Sin embargo, a diferencia de los escenarios
convencionales, estas nuevas aplicaciones requieren una
plataforma de middleware más robusta y compleja con el fin
de cubrir temas en diferentes capas de la arquitectura de
comunicación, en diferentes contextos de negocios. Esta
complejidad ha dejado varios temas de investigación abiertos
en el diseño del middleware que significan aún un alto costo
de ingreso en la adopción de la tecnología. De evolucionar la
tecnología de manera esperada, existen dos grandes retos a
fin de garantizar el acceso a la red sin fisuras; la coexistencia
de las diferentes redes y el tamaño de IoT. Como trabajo
futuro hemos considerado avanzar en la implementación de
una red híbrida de manera de contribuir a tales puntos
identificados como abiertos.
REFERENCIAS
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