Comunicación presentada al II Congreso Ciudades Inteligentes:
Autor
- Juan José González Méndez, Director de la División de Sistemas Inteligentes, ELT-Especialidades Luminotécnicas SAu
Resumen
La definición, diseño y arquitectura de un sistema de gestión de alumbrado exterior, además de proporcionar un control eficiente de la iluminación, debe ir más allá, debe convertir la instalación de luminarias en un sistema de iluminación inteligente (Smart Lighting). Los sistemas de telegestión basados en PLC presentan diferentes limitaciones que los alejan del concepto de iluminación inteligente. ELT ha desarrollado una solución inalámbrica punto a punto para la gestión de alumbrado público, diseñada para cubrir los tres niveles en los que se despliega el concepto de iluminación inteligente dentro de los sistemas e infraestructuras de iluminación urbana. El primer nivel corresponde a la luminaria y su control mediante comunicaciones inalámbricas. El segundo nivel corresponde al almacenamiento, tratamiento, combinación y procesado de datos. El tercer nivel hace que cada luminaria para alumbrado exterior se puede convertir en un nodo de la red IoT, en un servidor de datos (data-enabled lighting).
Introducción
IoT (Internet of Things) es esencialmente la capacidad que nos proporciona la tecnología para dotar de inteligencia y comunicaciones a todos los objetos de la vida cotidiana. La capacidad de monitorizar y gestionar los objetos presentes en las diferentes áreas en las que se desarrolla la actividad humana, desde las plantas de producción, o las ciudades, hasta la salud y el ocio, nos permite tomar decisiones en aras a la optimización y la eficiencia de entornos, procesos y tiempos, con el fin último de mejorar nuestra calidad de vida.
La infraestructura de luminarias de alumbrado público es ubicua, está uniformemente distribuida y además tiene conexión a la red eléctrica, es decir, cumple sobradamente los requerimientos básicos para ser una infraestructura integrada en la Internet de las Cosas, para poder construir sobre ella una red de adquisición y envío de información sin costes elevados de adaptación. Bajo esta premisa, la definición, diseño y arquitectura de un sistema de gestión de alumbrado exterior, además de proporcionar un control eficiente de la iluminación, debe ir más allá, debe transformar e impulsar la creación de valor en la infraestructura de alumbrado. Debe convertirse en un sistema de iluminación inteligente (Smart Lighting).
Los sistemas de gestión de la iluminación urbana actuales están basados, en un elevado porcentaje, en comunicaciones a través de los cables de la red eléctrica, lo que se conoce como comunicaciones PLC (Power Line Communication), centralizadas en cuadro eléctrico. Estos sistemas permiten realizar labores básicas de telegestión sobre las luminarias, mediante una doble arquitectura de red. Por un lado está la red PLC, entre el cuadro eléctrico y las luminarias, que utiliza un protocolo de comunicaciones distinto (KNX, BACnet, DALI, PLC-Lonworks) según la elección del fabricante de los dispositivos de comunicaciones. Por otro lado está la red IP que permite transportar los datos de cada instalación hasta las aplicaciones y dispositivos de gestión. La conexión entre ambas redes, PLC e IP, se realiza mediante gateways 3G/GPRS o comunicaciones cableadas, con instalación en cuadro eléctrico.
Los sistemas de telegestión descritos presentan diferentes limitaciones que los alejan del concepto de iluminación inteligente. En primer lugar, las redes PLC disponen de una baja capacidad de transferencia de datos, así como una limitada capacidad de interacción entre el sistema de control y las luminarias, y una estructura de red vinculada a cuadro eléctrico. En segundo lugar, existe un problema de interoperabilidad y ampliación de las redes PLC, dado que los diferentes sistemas y protocolos no son compatibles entre sí. En tercer lugar, las redes PLC e IP son diferentes en cuanto a arquitectura, medio de transmisión y protocolos de enlace y aplicación. Esto presenta una doble limitación. Por un lado, genera una gran complejidad en la ampliación del sistema con nuevas aplicaciones (actualizaciones, escalabilidad y extensibilidad). Por otro, convierte al equipo gateway de conversión entre redes en un elemento crítico del sistema. Finalmente, los sistemas basados en PLC son complejos de instalar y de mantener, y no implementan niveles elevados de seguridad en las comunicaciones.
Para el desarrollo de sistemas de iluminación inteligente es necesaria la convergencia e integración de diferentes áreas tecnológicas:
- El área de la iluminación, puesto que el desarrollo de la tecnología LED supone un factor determinante en la evolución de las soluciones para el alumbrado. Con respecto a tecnologías previas de iluminación, la tecnología LED aporta una mayor eficiencia lumínica, una iluminación de calidad y una vida útil de la luminaria más prolongada, además de su excepcional capacidad de regulación. El desarrollo de la tecnología LED, además, ha impulsado una importante evolución en los dispositivos de potencia de las luminarias, con soluciones innovadoras para la monitorización y el control de las mismas.
- El área de las comunicaciones, con la posibilidad de diseñar e implementar dispositivos de reducido tamaño que, junto con nuevos protocolos y arquitecturas, posibiliten conectividad inalámbrica punto a punto con bajo coste y bajo consumo.
- El área de los sistema digitales, con referencia al almacenamiento, tratamiento, combinación y procesado de datos, y con el desarrollo de aplicaciones de gestión y visualización de la información obtenida sobre diferentes plataformas y dispositivos.
Finalmente, el área de la sensorización, con la posibilidad de integración de dispositivos de adquisición de datos para diferentes aplicaciones sobre la misma plataforma de gestión inteligente de la iluminación.
El desarrollo de un sistema de gestión de estas características plantea una serie de retos y desafíos. Requiere un análisis y una elección cuidadosa y adecuada de la tecnología, en un entorno de estandarización dinámico, con nuevas soluciones, alianzas y propuestas emergiendo y desapareciendo a gran velocidad y que compiten entre sí. Requiere la integración y compatibilización de criterios, normativas y especificaciones de la industria de la iluminación con los de la industria de los sistemas de comunicación y la Internet de las Cosas. Requiere la aceptación por parte del usuario final, teniendo en cuenta consideraciones y garantías de seguridad y privacidad. Y requiere un modelo basado en los más altos estándares de fiabilidad y calidad.
El Proyecto
La solución
ELT ha desarrollado una solución inalámbrica punto a punto para la gestión de alumbrado público, diseñada para cubrir los tres niveles en los que se despliega el concepto de iluminación inteligente dentro de los sistemas e infraestructuras de iluminación urbana.
El primer nivel de la iluminación inteligente
El primer nivel de la iluminación inteligente corresponde a la luminaria y su control, y constituye uno de los principales factores diferenciadores de la solución de ELT. En este nivel, iluminación inteligente es la capacidad de hacer que la luz sea dinámica (en color, en intensidad), interactiva (con el intercambio bidireccional de información) y adaptativa (según la demanda), todo ello en tiempo real.
ELT ha basado su sistema de gestión punto a punto en las capacidades de monitorización y control de sus drivers para luminarias LED de última generación, que permiten la adquisición de datos muy valiosos para una gestión de la iluminación urbana eficiente y su mantenimiento. El driver para luminarias LED diseñado y fabricado por ELT tienen la capacidad de generar perfiles de iluminación programables y en tiempo real, de acuerdo con la localización de la luminaria, adaptados al entorno y sus características, optimizando el consumo de energía y su coste. Además, proporciona información para el mantenimiento preventivo de las instalaciones, mediante la medida de parámetros relacionados con el propio driver, el módulo LED o la red eléctrica, posibilitando procedimientos de diagnóstico y test y la gestión eficaz de alarmas e incidencias.
La monitorización y control del driver y de la luminaria se realizan mediante un paquete software propietario, con distintos módulos y aplicaciones, de gestión web, multidispositivo y con diferentes perfiles de usuario, basado en la representación geolocalizada de las luminarias, que permite habilitar diferentes instalaciones y agrupar las luminarias para su gestión según diferentes criterios lógicos (individual, instalación completa, calle, tipo, etc.).
Para completar este primer nivel de la iluminación inteligente, y para habilitar el segundo nivel, el de la gestión de los datos, es necesario disponer de un sistema bidireccional de comunicaciones con las luminarias y de una plataforma de almacenamiento y tratamiento de datos, con la correspondiente capacidad de inteligencia de negocio y con herramientas de presentación y visualización de resultados.
Para implementar el sistema de comunicaciones, ELT ha diseñado y fabrica dispositivos específicos que, instalados en el exterior de la luminaria y conectados al driver LED mediante un puerto específico, permiten la generación de una red mesh multisalto en la banda de frecuencias ISM sub-GHz. El protocolo de red utilizado se basa en 6lowPAN, protocolo estándar propuesto por el IETF para redes inalámbricas de sensores (WSN, Wireless Sensor Network). El stack del protocolo 6LoWPAN permite compatibilizar el protocolo TCP/IP en redes IPv4/IPv6 con la limitada capacidad de procesado y memoria de sistemas basados en microprocesadores, permitiendo un enlace IP con cada luminaria desde la aplicación. En capa física y MAC (Media Access Controller), en el dispositivo radio, 6lowPAN está subordinado al estándar IEEE 802.15.4, y la capa de aplicación utilizada es CoAP (Constrained Application Protocol).
Los nodos de luminarias de la red mesh se comunican con la plataforma de gestión mediante nodos gateway 2G/3G/4G, situados también en el exterior de una de las luminarias de la instalación, en número y posición tal que permitan la suficiente redundancia como para evitar los canales críticos del sistema. Los gateways se encargan de la gestión de los nodos en su radio de influencia, de la sincronización de eventos y de la transferencia IPv6 por la red IPv4.
Los dispositivos de comunicaciones, nodo y gateway son fáciles de instalar y compatibles con cualquier luminaria.
El sistema dispone de mecanismos de descubrimiento automático de dispositivos y autoconfiguración de red, mecanismos que se utilizan para hacer el proceso de instalación rápido y sencillo. Además, y dado que la generación de una red de comunicaciones introduce un tipo de complejidad en el sistema que no siempre se puede trasladar a los gestores del alumbrado, ELT dispone de una plataforma de gestión de las redes de comunicaciones de cada instalación, servicio de gestión que ELT ofrece a sus clientes mediante personal especializado específico. El sistema implementa, finalmente, diferentes niveles y mecanismos de protección para que las comunicaciones y los datos sean seguros de extremo a extremo.
El segundo nivel de la iluminación inteligente
La posibilidad de adquisición de datos de las instalaciones de alumbrado público y la capacidad de actuar sobre ellas de la solución de ELT permite ir más allá de la mera gestión de un servicio urbano básico. Una vez que se dispone de la capacidad de transporte y tratamiento, robusto, seguro y eficiente, de los datos activos de alumbrado, es posible combinarlos con otras fuentes de datos urbanos, y crear herramientas de análisis e inteligencia para plantear mejores políticas urbanas y soluciones de valor añadido para ciudadanos y gestores municipales.
Este es el segundo nivel de la iluminación inteligente. La solución inalámbrica punto a punto para la gestión de alumbrado público de ELT incorpora una plataforma de almacenamiento y tratamiento de datos, con la correspondiente capacidad de inteligencia de negocio y con herramientas de presentación y visualización de resultados, que permite que determinados datos activos intercambiados en los sistemas de gestión remota del alumbrado público se pueden combinar con datos pasivos de los sistemas de gestión municipales o con los datos de cualquier otro servicio municipal (residuos, tráfico, emergencias, e-administración, etc.).
El tercer nivel de la iluminación inteligente
Hay, finalmente, un tercer nivel de la iluminación inteligente. Cada luminaria para alumbrado exterior se puede convertir en un servidor de datos (data-enabled lighting). La infraestructura de iluminación pasa de este modo a convertirse en un servicio: además de ser puntos de luz, las luminarias son nodos de la infraestructura de Internet de las Cosas. La solución inalámbrica punto a punto para la gestión de alumbrado público de ELT ha sido diseñada y desarrollada para hacer posible este tercer nivel de la iluminación inteligente. Los dispositivos de comunicaciones y la arquitectura de red está preparadas para facilitar la incorporación de sensores adicionales (medioambientales, ruido, movimiento, vibración y una larga lista de posibilidades), permitir y habilitar su integración en plataformas Smart City o plataformas horizontales de gestión de ciudad, y facilitar la instalación de otras infraestructuras de comunicaciones o de otros servicios, como gestión de parking, afluencia de personas y vehículos o sistemas de información al ciudadano.
Las instalaciones
ELT ha instalado un sistema completo formado por 6 luminarias de tres fabricantes distintos en el exterior de sus instalaciones de Zaragoza, con el fin de validar el desarrollo en condiciones reales de funcionamiento. Se han realizado ensayos de resistencia mecánica y condiciones medioambientales adversas, y se ha validado la funcionalidad completa de la aplicación de usuario en diferentes estructuras de red de comunicaciones (estrella, mesh y 2G/3G/4G por punto), con diferentes situaciones de cobertura radio.
ELT está comenzando las pruebas en un una instalación piloto en Torres de Berrellén (Zaragoza), sobre un total de 20 luminarias.