Comunicación presentada al V Congreso Ciudades Inteligentes
Autor
- Arturo Rubio Dobón, Business Development Manager, Smart Systems Division, ELT – Especialidades Luminotécnicas
Resumen
Describiremos un proyecto desarrollado en un municipio en el cual, a través de la recientemente implantada red de alumbrado público inteligente y conectado mediante un sistema inalámbrico de gestión punto a punto, se procede a la telemetría de contadores de agua instalados en dicho municipio, poniendo esos valiosos datos a disposición de los gestores del servicio. De este modo se hace posible una información y facturación veraz e inmediata sobre el consumo de agua. De este modo se pone también en valor la infraestructura de alumbrado como plataforma central de implantación de servicios municipales basados en adquisición y tratamiento de datos en un entorno de interoperabilidad de servicios, objetivo de lo que conocemos como Smart City.
Palabras clave
Alumbrado, Interoperabilidad, Conectividad, Eficiencia, Smart City, IoT, Telemetría, Contadores de Agua, Adaptabilidad, Servicios Municipales
La iluminación: el camino hacia las ciudades inteligentes
La sociedad urbana actual avanza vertiginosamente hacia entornos más complejos, pero también más habitables gracias a los servicios impulsados por las nuevas tecnologías.
En una ciudad avanzada actual, la comunicación y el tratamiento de los datos son claves a la hora de proporcionar esos servicios de calidad, medioambientalmente sostenibles y orientados a satisfacer las necesidades del ciudadano.
El enfoque a este respecto por parte de los gestores municipales, a la hora de diseñar actuaciones de mejora de dichos servicios, debería ser lo más amplio posible ya que la interrelación de servicios urbanos es cada vez más estrecha y por tanto las decisiones tienen impacto y condicionan servicios tradicionalmente no relacionados entre sí. Por ejemplo, el servicio de alumbrado con el servicio de aguas, tráfico, gestión medioambiental o parques y jardines. Las actuaciones en cada uno de ellos pueden tener un impacto o condicionar a los demás.
Así pues, un ciudadano de un municipio dotado de distintas infraestructuras conectadas verá reflejadas en su vida diaria las mejoras que ellas conllevan, tanto de manera directa en la mejora cualitativa de los servicios recibidos, como en el impacto cuantitativo que estos tienen en las arcas municipales. La iluminación en general y el alumbrado público en particular, como infraestructura ya existente e imprescindible de la ciudad, juega un papel muy importante como infraestructura física de soporte no solo para dar luz sino también como plataforma necesaria para el funcionamiento óptimo de otros muchos servicios.
Esta aproximación dual es válida para cualquier mejora de la instalación de alumbrado que se realice y los resultados vendrán determinados por el valor y buen desarrollo del proyecto técnico y comercial del mismo. Para ello hay que fijarse en los siguientes factores:
Planificación y determinación de objetivos
Es el principio y cimiento de todo lo que, para bien o mal, sucederá después. Los responsables y técnicos municipales deben hacer un correcto diagnóstico de la situación de los servicios e infraestructuras actuales tanto desde el punto de vista técnico como económico, coste de mantenimiento y explotación, así como de la calidad del servicio proporcionado.
Este análisis es clave para que puedan determinarse después cuáles son los objetivos a alcanzar con la actuación y el orden de prioridad de los mismos.
Los factores más habitualmente tenidos en cuenta son: el ahorro energético y económico, la mejora de la iluminación, la optimización de costes de explotación, la mejora medioambiental o el modelo de ciudad y servicios deseado.
En este punto hay que decidir fundamentalmente si se quiere solamente mejorar el alumbrado, en sus diferentes propuestas de valor añadido y mejora de servicio, o dar un paso más.
Una simple renovación de luminarias con tecnología LED de prestaciones contrastadas, nos puede mejorar las prestaciones lumínicas existentes consiguiendo a su vez más del 50% de ahorro energético sobre las tecnologías convencionales precedentes basadas en lámparas de descarga.
Si añadimos regulación de intensidad por horas y zonas, mediante la elección de luminarias programables particularizadas a cada ubicación, podemos alcanzar fácilmente ahorros superiores al 70%.
Finalmente, si incluimos sistemas de gestión podemos racionalizar la iluminación a la cambiante demanda alcanzando niveles superiores al 80% de ahorro energético respecto a la situación anterior y, lo que es más importante, nos dotamos de una herramienta para adaptar ya actualizar nuestra instalación de una manera fácil y flexible a cada necesidad que se produzca en el futuro a la vez que optimizamos su operación y mantenimiento de forma extraordinaria. En este último caso el beneficio está en gran medida relacionado con la mejora de la experiencia de usuario del mismo.
No obstante, existe todavía una opción más ambiciosa que es la de impulsar una visión amplia e integradora de servicios urbanos en la que la tecnología hace de nexo de unión y catalizador necesario y que va en línea con la creación de proyectos de ciudad o territorio inteligente.
No hay que olvidar que los datos están adquiriendo un valor fundamental. Por ello es clave el poder tener sistemas capaces de adquirir, transportar y procesar dichos datos de la mejor manera posible. Esto es lo que nos proporciona una infraestructura de iluminación inteligente.
La iluminación inteligente como modelo de servicio integrado
Un proyecto de alumbrado público inteligente es, un sistema altamente complejo tecnológicamente que debe abordarse mediante la aplicación de un enfoque de servicio integrado. Esto no es solo desde el punto de vista del proceso de diseño y la implementación de la instalación, sino que también ofrece un servicio de soporte y mantenimiento para esta instalación durante toda su vida útil.
Es necesario proporcionar asesoría técnica y consultoría con el cliente para identificar sus necesidades y la forma en que éstas pueden satisfacerse de la mejor manera posible. Dichas necesidades o requisitos pueden variar sustancialmente de un proyecto a otro.
El análisis y la planificación de cada proyecto deben realizarse caso por caso. No hay dos proyectos iguales, lo que significa que es necesario elaborar una oferta técnica y comercial altamente personalizada. Tanto el proyecto como su puesta en servicio deben ser realizados por personal calificado y capacitado para garantizar su correcta implementación.
Si bien estos sistemas se basan en tecnologías complejas e interdisciplinarias, su manejo, desde el punto de vista del usuario, debe ser muy fácil e intuitivo. Esto hace posible que el administrador de iluminación interactúe con el sistema sin necesidad de ninguna calificación específica. La capacitación adecuada que se da in situ al personal con acceso al sistema es suficiente para que puedan operar el sistema correctamente.
El usuario debe tener la opción de llamar al servicio de soporte técnico permanente en caso de cualquier incidente o consulta. Del mismo modo, el proveedor del sistema debe tener asegurado el monitoreo permanente de los antecedentes del sistema de comunicaciones para corregir posibles incidentes que puedan haber surgido. Este es un aspecto fundamental para garantizar el funcionamiento a largo plazo del sistema.
Por otro lado, la tecnología está evolucionando rápidamente, por lo que es ventajoso que el sistema de gestión del alumbrado público se pueda actualizarse una vez está en funcionamiento, lo que garantiza que se mantenga al día sin que el usuario tenga que preocuparse por ello. El concepto de gestión en la nube y la posibilidad de actualizar de forma remota el firmware de los controladores es una característica clave de este sistema. El hecho de que las comunicaciones sean inalámbricas ofrece un beneficio real cuando miles de puntos de luz se administran en cientos de ubicaciones diferentes al mismo tiempo. Además, es importante destacar que los modelos de implementación de este tipo de sistemas a menudo requieren fuentes de financiación que van más allá de los recursos de las propias administraciones públicas. Esto ha permitido el surgimiento de nuevos e interesantes modelos de negocios, como los proyectos gestionados por las ESEs (empresas de servicios energéticos), o aquellos financiados por programas estatales o europeos para desarrollar la eficiencia energética o como parte de un marco de financiamiento para proyectos relacionados con ciudades inteligentes.
En conclusión, la implementación de un sistema con estas características implica la participación del proveedor de dichos sistemas antes, durante y después de la instalación y la puesta en servicio, pasando de un modelo basado en el suministro de productos al cliente a un nuevo modelo que también cubra la provisión de servicios relacionados que, en muchos casos, continuará durante toda la vida útil prevista de la instalación de alumbrado público.
Caso de estudio: adquisición y transmisión de datos de medición de agua a través de la red de alumbrado público habilitada
Como hemos visto, la nueva infraestructura de alumbrado público digital y conectado se convierte en un servicio: además de ser postes de luz, las luminarias pueden actuar como nodos de infraestructura de la Internet de las cosas (IoT).
Esta nueva capacidad potencial de la infraestructura de alumbrado público proporciona un doble papel en el marco del ecosistema de servicios urbanos. Primero, mantiene su función original y principal de proporcionar una iluminación eficaz y eficiente. Esta funcionalidad se ve mejorada por la capacidad de interactuar con su entorno a través de sensores, así como a través de un control individualizado de cada una de las luminarias mediante el sistema centralizado de gestión de alumbrado, que permite una adaptación inmediata a la demanda de luz en cada momento y ubicación. Sin embargo, aparece un nuevo rol secundario, pero no menos importante, que es servir como infraestructura de conectividad para otros servicios urbanos. El nuevo rol adoptado por la iluminación viene dado por la adicción de la conectividad a cada luz de calle, convirtiendo las luces de calle en una red habilitada para datos, lo que la convierte en una red de comunicaciones muy potente para recibir y transmitir información (comunicación de datos de baja velocidad) en su entorno inmediato. Esta capacidad se extiende por la extensión y el alcance geográfico de las redes de alumbrado público ya desplegadas en todas las áreas urbanas y territorios del mundo. Esta red tiene las siguientes características o cualidades fundamentales como plataforma o infraestructura para soportar otros servicios urbanos:
- Red con conexión directa y permanente a la red eléctrica.
- Situación estratégica sobre la superficie donde se desarrolla la mayor parte de la actividad en la ciudad.
- Situación cercana a la mayoría de los residentes y al resto de infraestructuras de servicios.
Siguiendo los principios anteriores, se ha realizado un ejercicio para evaluar de manera práctica la forma más adecuada de integrar los dispositivos de medición de agua de un fabricante europeo reputado equipado con capacidades de intercambio de datos inalámbricos incorporadas.
Arquitectura de un sistema estándar de medición de agua de forma inalámbrica y digital
Los dispositivos de medición de agua que se han elegido para efectuar este proyecto de integración de servicios teniendo en cuenta criterios maximizaran la eficiencia de la comunicación, así como reducir el coste industrial manteniendo el concepto de abierto y sistemas interoperables. Dichos dispositivos incorporan el protocolo WMBUS (Wireless MBUS) el cual es ampliamente usado en redes de telemetría de agua y el gas. Wireless-MBUS (especificado en la norma EN 13757-4) es una variante de radio de MBUS (Meter-Bus) que es una norma europea (EN 13757-2 a nivel de capa física y capa de enlace y EN 13757-3 a nivel de capa de aplicación) para la lectura remota de gas o contadores de electricidad.
El modelo específico de contadores que se han escogido para realizar el proyecto incorpora además una tecnología de medición de agua digital avanzada, así como la capacidad de transmitir registros de datos de forma inalámbrica a través de una red de malla mediante un enlace de radio ISM sin licencia de 868MHz, según la norma IEEE 802.15.4.
Es importante resaltar el hecho de elegir sistemas y equipos que incorporen o sean compatibles con protocolos estándar. En el caso que nos ocupa hay que señalar que tanto los contadores de agua como los controladores de luminarias de la solución STELARIA para la gestión de alumbrado inteligente mencionada anteriormente comparten la misma capa física (frecuencia y modulación) según la norma IEEE 802.15.4. Esto es muy importante para hacer viable la interoperabilidad entre sistemas a nivel de dispositivos físicos instalados en nuestras casas, calles e infraestructuras.
Análisis de integración entre ambos sistemas
Nuestro objetivo es hacer una integración de ambas redes de dispositivos, alumbrado y agua, de la manera más eficiente y rentable en lo que se denomina una integración de servicios dentro ecosistema de IoT (internet de las cosas).
Las arquitecturas descritas anteriormente nos llevan a valorar las dos posibilidades de integración factibles entre ambos sistemas: Integración a nivel de capa física y nivel de capa de aplicación.
En este punto, vale la pena recordar cuál es la estructura de la pila OSI: El modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (modelo OSI) es un modelo conceptual que caracteriza y estandariza las funciones de comunicación de un sistema de telecomunicación o computación sin tener en cuenta su estructura interna subyacente y tecnología. Su objetivo es la interoperabilidad de diversos sistemas de comunicación con protocolos estándar. El modelo divide un sistema de comunicación en capas de abstracción. La versión original del modelo definió siete capas.
Integración a nivel de capa física
La integración a nivel de la capa física es la primera opción a evaluar ya que sería la forma más eficiente de hacerlo. A priori esto sería posible ya que ambos dispositivos, contadores de agua y controladores inalámbricos de las luminarias comparten la capa física (frecuencia y modulación) como hemos mencionado anteriormente.
Con el fin de maximizar la eficiencia de la comunicación, así como minimizar el costo industrial mientras se mantiene el concepto de sistemas abiertos e interoperables, muchos modelos de contadores inalámbricos usan el protocolo Wireless-MBUS (W-MBUS).
Este estándar es comúnmente utilizado por la industria de dispositivos de medición de agua y gas. Wireless-MBUS (especificado en EN 13757-4) es una variante de radio de MBUS (Meter-Bus) que es una norma europea (EN 13757-2 de capa física y de enlace, EN 13757-3 capa de aplicación) para la lectura remota de gas o contadores de electricidad. M-Bus también es utilizable para otros tipos de medidores de consumo.
El M-BUS fue desarrollado para satisfacer la necesidad de un sistema para la conexión en red y la lectura remota de medidores de servicios públicos, por ejemplo, para medir el consumo doméstico de gas o agua en el uso doméstico. Este BUS cumple con los requisitos especiales de los sistemas accionados por batería o remotos, incluidos los medidores de servicios públicos. Cuando se los consulta, los medidores entregan los datos que han recopilado a un maestro común, como una computadora de mano o al nodo de red externo más cercano, conectados a intervalos periódicos para leer todos los medidores de servicios públicos de un edificio.
Dado que el M-Bus no es una red, y por lo tanto no necesita, entre otras cosas, un transporte o una capa de sesión, los niveles cuatro a seis del modelo OSI están vacíos. Por lo tanto, solo el físico, el enlace de datos, la red y la capa de aplicación cuentan con funciones.
De esta manera, no es necesario realizar ninguna modificación en la capa física de los nodos de comunicación o controladores situados en las luminarias ni en los medidores de agua. Para hacer posible la interoperabilidad y la comunicación entre los dispositivos, simplemente es necesario incorporar la implementación del protocolo Wireless-MBUS a la capa física mediante la modificación del firmware de los controladores de las luminarias, y no eliminar los protocolos preexistentes ya implementados y optimizados para el control de las luminarias de alumbrado público.
De esta manera, logramos una integración del sistema de medidor de agua con el sistema de control de iluminación de una manera simple, económica y abierta, válida para todos aquellos sistemas de medidores que utilizan el estándar abierto Wireless-MBUS.
Integración a nivel de capa de aplicación en la nube
Una vez que tenemos acceso a los datos provenientes del servicio externo al alumbrado en cuestión, como lo es el de la gestión de agua, podemos proceder a su transporte, almacenamiento y entrega a la aplicación u aplicaciones específicas para su visualización y tratamiento conveniente por parte de mantenedores del servicio y usuarios.
En el caso concreto que nos ocupa, los datos captados por las luminarias son compartidos en la nube de forma sencilla mediante una API (Application Programming Interface) con el sistema de gestión de activos y facturación existente en el municipio. De este modo, se hace innecesario tener personal, equipos o redes de comunicación paralelas dedicadas a tal fin, con el consiguiente ahorro en inversión inicial y de operación y mantenimiento del servicio del agua.
Por otro lado, puesto que los datos se pueden obtener con una frecuencia diaria o incluso mayor, es posible realizar un control del buen funcionamiento de la red de agua con una mayor precisión pudiendo detectar posibles ineficiencias, fugas o averías de una manera mucho más rápida.
De igual los usuarios pueden disponer de los datos de consumo con una mayor inmediatez lo que puede ayudarles a optimizar el uso que hacen de dicho servicio.
Los gestores además pueden facturar el servicio de una manera precisa y eficiente, maximizando los ingresos y mejorando a su vez la experiencia de usuario de sus clientes.
Es importante señalar que el principio de interoperabilidad entre ambos servicios, alumbrado y agua, permanece independientemente de la evolución tecnológica que en ambos servicios se produzca y por tanto esos cambios no afectarán a la experiencia de usuario ni del gestor de la infraestructura. Un buen ejemplo de ello es la evolución tecnológica dentro de los ecosistemas de servicios IoT hacia redes de comunicaciones cada vez más eficientes, económicas y de alcance cada vez más amplio como puede ser NBIoT (Narrow band IoT). Dichas tecnologías irán desplazando a las actualmente existentes, en la medida de que estén disponibles a costes razonables, en lo referente a como se construyen las redes de comunicación entre los distintos dispositivos conectados, como por ejemplo las luminarias y los contadores de agua.
No obstante, la integración de los servicios y el intercambio de datos seguirá estando garantizada a nivel de aplicación, puesto que este se realiza de forma protocolizada y sencilla en la nube y seguirá siendo fácilmente accesible a través de internet.
Conclusiones
Un sistema como el descrito anteriormente es capaz de mejorar la gestión de las infraestructuras de alumbrado público al máximo grado posible de iluminación inteligente. Cada accesorio de iluminación exterior se convierte en un servidor de datos (iluminación habilitada para datos). La infraestructura de alumbrado público se convierte así en un servicio: además de ser postes de luz, los accesorios de iluminación actúan como nodos de infraestructura de la Internet de las cosas (IoT).
La arquitectura de red, el software y el hardware de un sistema con estas características están diseñados para facilitar la incorporación de sensores adicionales (medioambientales, tráfico, aparcamiento, movimiento etc), y permitir su integración en plataformas de Smart City o plataformas horizontales para la gestión de la ciudad. Esto apoya la instalación de otras infraestructuras de comunicaciones u otros servicios, incluida la gestión de contadores de agua, mediciones del flujo de personas y vehículos, recolección inteligente de desechos o sistemas de emergencia y de información para residentes.
Un sistema con estas características, con su arquitectura escalable, está perfectamente al alcance de las ciudades, zonas metropolitanas, comarcas rurales, grandes infraestructuras etc. con el objetivo de aprovechar el beneficio de su ventaja y compartir sus costos.
El potencial para mejorar el servicio de alumbrado público y, por lo tanto, lograr los ahorros de energía y mantenimiento que ofrece el alumbrado público inteligente es enorme y tiene un impacto enormemente positivo tanto en los residentes como en el presupuesto municipal, lo que puede ayudar a acometer otras inversiones hacia el modelo de ciudad inteligente.
Una solución de servicios urbanos basados en datos interoperables como se ha descrito anteriormente demuestra que la integración de un sistema de telemetría del consumo de agua a través de la red de comunicaciones creada para gestionar el alumbrado público es posible y deseable, aunque está condicionada por la elección de la tecnología en ambos sistemas. El uso de protocolos basados en estándares abiertos a nivel de capa física es imprescindible para minimizar los costos de dicha integración y mantener un concepto de sistema abierto e interoperable.
Debemos aprovechar la remodelación de las instalaciones de alumbrado público para que este importante servicio urbano esté actualizado de acuerdo a los nuevos estándares de calidad de servicio y sostenibilidad energética, cumpliendo con los nuevos requisitos de las sociedades dinámicas y exigentes de hoy, sino que también contribuya activamente a mejorar otros servicios urbanos, en el marco del ecosistema que las nuevas tecnologías IoT están convirtiendo en realidad.
En resumen, nos movemos hacia un concepto de ciudad donde la luminaria es un nodo de servicios, uno de los cuales es el alumbrado, quizás el fundamental, pero no será el único y tenemos que estar preparados para todo lo nuevo que el alumbrado puede hacer por nosotros hoy, pero también lo que va a poder ofrecernos mañana.