Sistema de medici
´
on con dos conexiones Modbus
vinculado a trav
´
es de un enlace MQTT/TLS a un
servidor remoto: detalles internos y primeros
resultados
A measurement system with dual Modbus connections linked through MQTT/TLS to a remote
server: internal details and first operation results
Esp.Ing. Marcelo Castello
†1
, Esp.Ing. Rafael B. Oliva
∗2
†
Observatorio de Energ
´
ıa y Sustentabilidad (OES), UTN FRRO
Zeballos 1341 - Rosario - Santa Fe (Argentina)
1
mcastello@frro.utn.edu.ar
∗
Area Energ
´
ıas Alternativas / Instituto de Tecnolog
´
ıa Aplicada - UNPA y L&R Ingenier
´
ıa
Avda Gregores y Lero Rivera - R
´
ıo Gallegos - Santa Cruz (Argentina)
2
roliva@uarg.unpa.edu.ar
Resumen—Este trabajo presenta un sistema de medici
´
on
para equipamiento de energ
´
ıas renovables que incorpora
dos conexiones basadas en el protocolo abierto Modbus
(RTU/Serial hacia m
´
odulos internos, TCP hacia el exterior)
y logra la vinculaci
´
on entre el m
´
odulo datalogger y un
dashboard centralizado remoto. La instalaci
´
on y puesta
en marcha reciente de instrumentos de alta calidad hacen
posible reunir informaci
´
on confiable y a la vez contar
con un monitoreo y persistencia remota de los datos. El
conjunto toma informaci
´
on de viento utilizando sensores
Thies instalados en la misma torre de un aerogenerador e
informaci
´
on de corriente y tensi
´
on producida por un conjunto
de paneles fotovoltaicos y aerogenerador que cargan un banco
de bater
´
ıas y suministra energ
´
ıa a un invernadero. A su
vez, se construy
´
o y program
´
o un m
´
odulo auxiliar externo
para medici
´
on de temperatura y humedad en el invernadero,
comunicado por RS485 y protocolo Modbus RTU con el
datalogger principal. El datalogger env
´
ıa los datos a trav
´
es
de Modbus/TCP a una Raspberry Pi 4B que convierte este
protocolo a MQTT/TLS para dar seguridad a la transmisi
´
on
de los datos, ya que el servidor con el dashboard se encuentra
fuera de la red de campo. El an
´
alisis de performance del
sistema h
´
ıbrido e
´
olico-solar de baja potencia es posible
debido a la disponibilidad y persistencia de los datos en
el servidor remoto y localmente en la tarjeta CF del datalogger.
Palabras clave : sistema de monitoreo, protocolo MQTT/TLS,
protocolo Modbus, energ
´
ıa renovable
Abstract— This work presents a renewable energy
measurement system with two Modbus protocol connections
(RTU/Serial to internal modules, TCP to external units) and
achieves a TLS-encrypted link between the datalogger module
and a centralized remote dashboard application. Recent
installation and commissioning of high quality instruments
allow for reliable information to be collected, and the system
offers remote monitoring and data persistence. The logger
acquires wind data using Thies sensors installed on the wind
turbine tower, and current and voltage from both the wind
turbine and an array of photovoltaic panels. Energy is stored
in a battery bank and is used to supply electric power to a
greenhouse. In this nearby building, an additional module
to measure temperature and humidity of the plant-growing
environment was developed and programmed. The module
communicates via RS485 using Modbus RTU with the main
datalogger, which also uses an internal network connection
through Modbus TCP to a Raspberry Pi4B board. The Pi
board converts the readings to MQTT/TLS, an added security
feature before sending data to the remote server which runs
the dashboard application. A continuous performance analysis
of the renewable energy unit is possible due to the availability
and persistence of real-time data on the server and also on
the CF card of the datalogger.
Keywords: Monitoring system, Modbus protocol, MQTT/TLS
protocol, renewable energy
I. INTRODUCCI
´
ON
El uso de sistemas de registro basados en dataloggers de
tipo industrial ha sido una necesidad desde las primeras
instalaciones h
´
ıbridas de energ
´
ıa renovable, por ejemplo
[1] en sistemas remotos de comunicaciones que requieren
una elevada confiabilidad de datos. Algunos de los equipos
programables de mayor prestigio tienen una larga trayectoria
en el sector [2], lo cual los convierte en sistemas de
referencia. La difusi
´
on creciente del acceso a Internet en
ambientes rurales ha incentivado el inter
´
es por emplear
sistemas de registro que incorporen conectividad estable,
que la misma cumpla con los requerimientos b
´
asicos de
ciberseguridad, sumando a todo esto la persistencia de datos.
Si bien existen alternativas comerciales que implementan
este tipo de sistemas (ej. Schneider Insight - Conext /
Xanbus [3]) en general su dise
˜
no es cerrado y utilizan
protocolos propietarios.
El presente trabajo describe internamente un sistema
de este tipo denominado SISMED/RG24 que es utilizado
para el monitoreo de un sistema e
´
olico-fotovoltaico de uso
didactico [7] instalado en el Campus de la Universidad
Nacional de la Patagonia Austral. El sistema en su conjunto,
Revista elektron, Vol. 6, No. 2, pp. 120-128 (2022)
ISSN 2525-0159
120
Recibido: 20/03/22; Aceptado: 23/08/22
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.6.2.160.2022
Original Article
est
´
a destinado a abastecer los consumos el
´
ectricos de un
invernadero de tipo educativo. El SISMED/RG24 posee un
datalogger que concentra datos de temperatura, humedad,
velocidad y direcci
´
on de viento y datos el
´
ectricos del banco
de bater
´
ıas, provenientes de los sensores de campo. Un
ordenador Raspberry Pi [9] instalado en la red interna,
interroga al subsistema datalogger utilizando el protocolo
abierto Modbus TCP [4]. A su vez, el datalogger implementa
una consulta independiente Modbus RTU/Serial (via RS485)
hacia un m
´
odulo interno de temperatura/humedad, almace-
nando localmente promedios en una tarjeta de memoria del
tipo CF industrial. El ordenador luego env
´
ıa el conjunto
de las mediciones a un servidor remoto donde se produce
la persistencia, an
´
alisis y visualizacion. Para cumplir con
requerimientos de ciberseguridad, el ordenador utiliza el
protocolo MQTT [5] con capa de seguridad TLS [6]. Tras
haber completado seis meses de operaci
´
on se muestran
algunos resultados obtenidos.
El equipo de registro se basa en un datalogger comer-
cial CR1000 [8] acoplado a una interfaz NL115 (Ethernet
+ almacenamiento CF) del mismo fabricante, un m
´
odulo
Raspberry Pi4B y un m
´
odulo auxiliar vinculado por RS485
para medici
´
on de temperatura y humedad en el interior
del invernadero. Dado que en las cercan
´
ıas del Campus se
encuentra una antena difusora de WiFi, se instal
´
o un equipo
Ubiquiti NSM5 [10] con alimentaci
´
on PoE que conecta
el conjunto a Internet. La visualizaci
´
on y almacenamiento
de los datos se realiza a trav
´
es de un dashboard remoto
implementado con Thingsboard CE [11].
II. HARDWARE
A. Evoluci
´
on y Caracter
´
ısticas
Una versi
´
on preliminar del SISMED/RG24 se instal
´
o en
2019, y su desarrollo estaba basado en experiencias conjun-
tas con dataloggers Campbell realizadas en CERE/UMAG
desde 2013 [12]. Esta versi
´
on utilizaba el teclado-display
existente CR1000-KD, el almacenamiento de promedios de
lecturas en tarjetas CF (Compact Flash) industrial, y la fun-
cionalidad interna de un servidor HTTP programable en el
datalogger, a trav
´
es de una conexi
´
on directa a Internet. Una
descripci
´
on de esta configuraci
´
on en gr
´
aficos y c
´
odigo fuente
puede encontrarse en [13]. Dicho servidor no contaba con
los requisitos m
´
ınimos de ciberseguridad, adem
´
as de resultar
de una funcionalidad limitada por su escasa performance y
su salida exclusivamente en forma de tablas de texto. Sin
embargo, oper
´
o satisfactoriamente y sirvi
´
o de base para el
desarrollo de la versi
´
on descripta en el presente trabajo.
La versi
´
on actual instalada durante 2021 se concibi
´
o como
una ampliaci
´
on de la instalada en 2019, incorporando nuevos
elementos a los ya existentes. En setiembre se instalaron
los nuevos sensores de viento Thies (Figura 1 - ver [21] )
sobre un soporte de la torre siguiendo los lineamientos de
la normativa IEC 61400-12-1 Anexo H [14] para peque
˜
nos
aerogeneradores, y se modific
´
o el c
´
odigo fuente del CR1000
para incorporar las nuevas constantes de calibraci
´
on.
B. Hardware nueva versi
´
on
Los requerimientos crecientes de seguridad y funcionali-
dad impulsaron el desarrollo de la versi
´
on ampliada durante
2021. Se decidi
´
o el agregado de una unidad Raspberry Pi,
Fig. 1. Instalaci
´
on de Sensores Thies 09/2021.
que se instala en el interior del gabinete original junto con
un router encargado de gestionar una red interna (LAN).
Para acceder al m
´
odulo dedicado externo para medici
´
on de
temperatura y humedad dentro del invernadero se instal
´
o un
adaptador DIN-RS485 [16] con habilitaci
´
on autom
´
atica. En
la Figura 2 se muestra una fotograf
´
ıa del conjunto principal
armado en un gabinete.
Fig. 2. Vista del M
´
odulo Principal en ensayo.
El diagrama desde el punto de vista de funcionalidades
de esta nueva versi
´
on se muestra en la Figura 3.
C. Hardware del M
´
odulo principal y vinculaci
´
on externa
Como se indic
´
o en la parte introductoria, el desar-
rollo requiri
´
o adaptar el hardware para que el datalogger
CR1000 funcione en su lazo de control principal como
maestro/cliente Modbus RTU (sobre el puerto serie a 19200
baud) para la lectura de los valores de temperatura, humedad
y estado provistos por el m
´
odulo auxiliar del invernadero,
y a la vez como servidor/esclavo Modbus TCP para la
comunicaci
´
on externa. El trabajo original en AEA sobre
dicho protocolo fue desarrollado por la becaria Cecilia
Fuentes desde 2016 [17]. El datalogger se conecta a uno
de los puertos del router v
´
ıa su m
´
odulo NL115. La placa
Raspberry Pi4B se conecta a otro puerto del router, mientras
que el m
´
odulo inal
´
ambrico que provee acceso a Internet
se conecta al puerto hom
´
onimo del router. El sistema se
configura como una red local, y desde el mismo router
se administra el acceso externo a determinados puertos,
coordinados con el Area de Sistemas de la Universidad. Esta
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Fig. 3. SISMED/RG24 Esquema de la nueva versi
´
on 2021
red, gestionada por el router provee funcionalidades como
firewall, redirecci
´
on de puertos y servicios de NAT, todos
necesarios para dar seguridad a conexiones entrantes desde
la red p
´
ublica Internet.
D. Hardware del M
´
odulo auxiliar
El m
´
odulo externo auxiliar se implement
´
o utilizando una
placa Arduino Mega256, conectada a un sensor DHT22
con interfaz OneWire de temperatura y humedad, y se
vincula con un segundo m
´
odulo DIN-RS485 de habilitaci
´
on
autom
´
atica id
´
entico al del m
´
odulo principal, a traves de un
cableado FTP que adem
´
as oficia de suministro de tensi
´
on
de 12 Vcc de alimentaci
´
on. El m
´
odulo auxiliar operando se
muestra en Figura 6.
III. MODELO E INTEGRACI
´
ON DEL SOFTWARE
A continuaci
´
on se describe el diagrama en bloques prin-
cipal y su distribuci
´
on, como as
´
ı tambi
´
en los componentes
de software.
A. Descripci
´
on del sistema y diagramas
En la Figura 4 se aprecia un diagrama de la configuraci
´
on
ensayada y sus bloques principales.
El datalogger principal se programa en CRBasic, un com-
pilador que permite ejecutar secuencias y lazos gen
´
ericos
de medici
´
on para los equipos de la l
´
ınea CSI [8], utilizando
funciones de alto nivel. En el lazo principal se debi
´
o integrar
y actualizar una tabla maestra que para reunir datos de
temperatura, humedad y status del invernadero con los de
viento, tensi
´
on y potencia del sistema de energ
´
ıa renov-
able. Dicha tabla se actualiza con el datalogger actuando
simult
´
aneamente como esclavo/servidor Modbus TCP en
el puerto 502 convencional. Dichos datos son le
´
ıdos por
un script en Python a intervalos regulares dentro de la
Raspberry Pi y se publican v
´
ıa MQTT/TLS a un servidor re-
moto con la herramienta de visualizaci
´
on y almacenamiento
Thingsboard. El c
´
odigo fuente del datalogger CR1000 y
el script de Python que corre en la RBPi4 se encuentran
disponibles en [18]. Para que la transmisi
´
on con capa
de seguridad TLS sea posible, se crearon los certificados
correspondientes. Los certificados TLS fueron creados uti-
lizando la herramienta keytool [23] para sistemas opera-
tivos GNU/Linux. Se configur
´
o adecuadamente Thingsboard
(versi
´
on Community edition) en el servidor remoto, que
utiliza la base de datos PostgreSQL [21] instalada en el
mismo hardware.
El m
´
odulo externo mencionado se instala en el interior del
invernadero y se comunica con el datalogger principal. Uti-
liza la biblioteca ArduinoModbus estandar [19] y su funci
´
on
ModbusRTUServer(), comport
´
andose como esclavo/servidor
del datalogger principal CR1000. El sketch de Arduino por
simplicidad se program
´
o en Arduino IDE v1.8.13 [20], y se
encuentra disponible tambi
´
en en [18]. Los datos del sensor
de temperatura/humedad, y su estado son leidos una vez
cada 2 segundos.
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Fig. 4. Diagrama de bloques del Sistema.
Fig. 5. Interfaz Thingsboard y verificaci
´
on mediciones
Fig. 6. Modulo auxiliar con sensor T/H en funcionamiento.
B. Interfaz con el usuario
La interfaz con el usuario se logra a trav
´
es de una p
´
agina
web donde se encuentra el dashboard (Figura 5). Para este
caso de uso se instal
´
o Thingsboard que es una plataforma
de IoT de c
´
odigo abierto que permite la gesti
´
on de las
comunicaciones, el almacenamiento y la visualizaci
´
on de
los datos que provienen de los sensores u otros dispositivos
que formen parte del sistema. Sus caracter
´
ısticas m
´
as im-
portantes son:
• visualizaci
´
on de datos a trav
´
es de paneles config-
urables.
• activaci
´
on de alarmas por procesamiento de eventos.
• di
´
alogo con los dispositivos remotos conectados.
• arquitectura basada en microservicios.
• posibilidad de utilizar cadenas de reglas para imple-
mentar caracter
´
ısticas propias.
• bibliotecas de widgets disponibles.
Al poseer Thingsboard una arquitectura orientada a mi-
croservicios, dispone de m
´
ultiples escenarios de despliegue.
Dada la sencillez de esta aplicaci
´
on se opt
´
o por un escenario
con un
´
unico servidor y base de datos integrada en el
mismo hardware. Esta configuraci
´
on, es adecuada hasta para
300.000 dispositivos enviando hasta 10.000 mensajes por
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segundo. En la parte final del dashboard, Figura 7 se incor-
poran los datos obtenidos del modulo externo via RS485
a 19200 baud, que escribe peri
´
odicamente tres ”holding
registers” (temperatura, humedad y status) en una tabla
interna, que es accedida por el datalogger CR1000.
Fig. 7. Captura de Thingsboard con datos de sensores de T/H.
El sistema provee una valiosa funci
´
on auxiliar para el
mantenimiento, como se muestra en la Figura 8 en que se
pudo resolver un problema de alimentaci
´
on de la fuente de
la Raspberry Pi4 (las adquiridas originalmente resultaron ser
poco confiables).
Fig. 8. Monitoreo del Tablero y a trav
´
es del Dashboard TB.
IV. ENSAYOS Y APLICACI
´
ON DEL MONITOREO REMOTO
A. Instalaciones y mediciones realizadas
Los ensayos preliminares se realizaron a inicios de 2021
con sensores de viento anem
´
ometricos de pulsos FST200
y Veleta FR (Firstrate), y luego de la instalaci
´
on se han
adaptado las constantes de calibraci
´
on en el programa
principal del datalogger CR1000, reemplazando valores por
las constantes de los Thies [21] adquiridos (Figuras 1,10).
Adem
´
as, se han incorporado las lecturas de temperatura y
humedad del m
´
odulo externo, que se instal
´
o en el interior
del invernadero junto con los sistemas de bombeo (Figura 9).
Los equipos externos instalados (aerogenerador y sensores),
el tablero con el Inverter Qmax de 1.7 kW y el tablero anexo
del conjunto datalogger se muestra en la Figura 10.
En la instalaci
´
on definitiva de equipamiento a fines de
setiembre 2021, se inici
´
o adem
´
as del monitoreo remoto
el registro de los datos promedio cada 1 minuto (seg
´
un
recomendaci
´
on IEC [14] Anexo H) con persistencia local
en la tarjeta CF, lo cual brinda datos de utilidad para el
estudio de performance del sistema.
En la Figura 13 se muestra via una captura de pantalla de
panel Thingsboard la evoluci
´
on de viento y direcci
´
on (izq)
y de temperatura y humedad del invernadero, a las 8:22
del 24/10/21. En la Figura 14 se compara con los prome-
dios por minuto registrados en un intervalo similar en la
CF, visualizados con Windographer Acad
´
emico v4.12 [24],
licencia adquirida por UNPA. En lo que se refiere al viento,
en las secuencias anteriores se observa el comportamiento
t
´
ıpico del sur patag
´
onico con una ca
´
ıda de intensidad de
viento durante la noche y un aumento importante hacia el
mediod
´
ıa y tarde. El aumento de la humedad durante la
noche y la reducci
´
on de temperatura se relacionan con la
falta de incidencia del sol.
B. Aplicacion del monitoreo remoto para mantenimiento
El monitoreo y registro de datos permite tambi
´
en resolver
problemas de optimizaci
´
on de recursos y prevenci
´
on de
fallas. Esto se pudo aprovechar para el caso del particular
ajuste realizado por el operador de riego para encender la
bomba durante 7 minutos, aproximadamente a las 4 AM y
luego a las 8 AM, como queda registrado (Figura 15) en los
”bajones” de promedio de tensi
´
on de bater
´
ıa de tensi
´
on nom-
inal 24 V (que suministra la corriente continua de operaci
´
on
al inversor, que alimenta a su vez la bomba de ½ HP a 220
V / 50 Hz). En ajustes posteriores, se modific
´
o dicho horario
para los momentos de mayor incidencia solar durante el
d
´
ıa, que se observan tambi
´
en en la Figura 15 (Corriente
de paneles FV, eje izquierdo arriba EU IFV In Avg) y que
permiten que las bater
´
ıas recuperen carga y no se produzcan
descargas profundas del banco. En otros casos, se libera
el aerogenerador manualmente cuando se producen estas
condiciones de baja tensi
´
on de bater
´
ıa y los paneles solares
no alcanzan a realizar la recarga, como en las Figuras 11 y
12.
V. CONCLUSIONES
Se ha avanzado en la implementaci
´
on de un sistema de
registro que vincula un datalogger comercial a trav
´
es de
MQTT/TLS con un servidor remoto Thingsboard, logrando
monitoreo y persistencia de datos para medici
´
on del recurso
e
´
olico y el relevamiento de la performance de un sistema
h
´
ıbrido e
´
olico-solar de baja potencia en un campus uni-
versitario. Se espera que los resultados contribuyan a la
implementaci
´
on de este tipo de sistemas en instalaciones
educativas similares.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la UNPA (Instituto de Tecnolog
´
ıa
Aplicada - UARG), al CIT-Santa Cruz (CONICET) y al
OES (Observatorio de Energ
´
ıa y Sustentabilidad) de la
Universidad Tecnol
´
ogica Nacional - FRRO (Facultad
Regional Rosario). La vinculaci
´
on de ambos grupos OES
y AEA/UNPA se lleva adelante en el marco de la red
REGEDIS/CYTED (718RT0565).
Revista elektron, Vol. 6, No. 2, pp. 120-128 (2022)
ISSN 2525-0159
124
http://elektron.fi.uba.ar
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for Hybrid Power Systems,” INTELEC ’87 - The Ninth Interna-
tional Telecommunications Energy Conference, 1987, pp. 443-449, doi:
10.1109/INTLEC.1987.4794595.
[2] Campbell Data Loggers 40 Years On (2014):
https://www.instrumentation.co.uk/campbell-data-loggers-40-years-on/
[3] Schneider Solar - Insight Home / Facility & Conext:
https://solar.schneider-electric.com/product/insighthome-and-
insightfacility-edge-devices/
[4] The Modbus Organization: https://modbus.org/
[5] MQTT: The Standard for IoT Messaging https://mqtt.org/
[6] Transport Layer Security (TLS) v1.3 (2018)
https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8446
[7] AEA-UNPA https://www.energiasalternativas-unpa.net/investigacion-
y-desarrollo
[8] Datalogger CR1000 - Campbell Scientific CSI -
https://www.campbellsci.com/cr1000
[9] Raspberry Pi 4B (2020) https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-
pi-4-model-b/
[10] Ubiquiti NanoStation (2019) https://www.ui.com/airmax/nanostationm/
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[12] Data Acquisition at CERE/UMAG https://github.com/rafoliva/CERE-
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[13] AEA SISMED/RG24 v1-2019 https://github.com/rafaeloliva/AEA-
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[15] Mikrotik HexLite Routers (2021)
https://mikrotik.com/product/RB750r2
[16] DIN-RS485 Adaptors User Guide LyR
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[17] Fuentes, C. - Informe de beca WE: MPPT y Pro-
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DataAcq/tree/master/SISMEDRG24/v2021-CR1000-RBpi4-Ardu-
TB/ArduinoMegaModbus/BecaCFuentesModbus
[18] v2021 CR1000/RBPi4/Mega Source and di-
agrams: https://github.com/rafaeloliva/AEA-
DataAcq/tree/master/SISMEDRG24
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https://www.arduino.cc/en/ArduinoModbus/ArduinoModbus
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[21] Thies FirstClass Wind Sensors (2021)
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[23] KeyTool - Oracle Java Platform Tools Reference (2021)
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/windows/keytool.html
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Revista elektron, Vol. 6, No. 2, pp. 120-128 (2022)
ISSN 2525-0159
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Fig. 9. Instalaciones Modulo T/H y bombeo de agua Invernadero
Fig. 10. Aerogenerador con sensores, Tablero Inverter y Datalogger
Fig. 11. Pantalla Thingsboard, bajas por bomba y conexi
´
on aerogenerador.
Revista elektron, Vol. 6, No. 2, pp. 120-128 (2022)
ISSN 2525-0159
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Fig. 12. Registro de tensi
´
on Bater
´
ıa / Encendidos bomba + Aerogenerador 08/01/22
Fig. 13. Registros instant
´
aneos 24/10/21 Thingsboard
Revista elektron, Vol. 6, No. 2, pp. 120-128 (2022)
ISSN 2525-0159
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Fig. 14. Registros CF promedios 1 minuto 24/10/21
Fig. 15. Registro de tensi
´
on Bater
´
ıa / Encendidos bomba 24/10/21
Revista elektron, Vol. 6, No. 2, pp. 120-128 (2022)
ISSN 2525-0159
128
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