Comunicación presentada al IV Congreso de Ciudades Inteligentes
Autores
- Rafael Álvarez García, Adjunto D.G. Medio Ambiente y Eficiencia Energética, Ayuntamiento de Logroño
- Pedro de Grado Sanz, Director Técnico Medio Ambiente y Eficiencia Energética, Ayuntamiento de Logroño
- Arturo Ortiz Ortega, Director División de Riego, RIVERSA
- Juan Antonio Martínez, Coordinador Proyectos de Investigación, ODIN Solutions
Resumen
A comienzos de 2013, se implantó la telegestión de los sistemas de riego 11 zonas verdes en la ciudad de Logroño (SMART RAIN Logroño FASE I). Se consiguieron importantes reducciones de agua y energía. A día de hoy, se procede a telegestionar el resto de las zonas verdes de la ciudad. A la hora de llevar a cabo esta solución, se encuentra una problemática, las distintas marcas y lenguajes que manejan los programadores de riego de la capital riojana, ya que cada marca incorpora su propio lenguaje a su dispositivo y muchos de ellos no admiten ser telegestionados. Se decide entonces la idea de desarrollar un sistema global capaz de comunicarse con todos los dispositivos sin eliminar o sustituir los existentes, gestionarlos y mostrarlos en un sistema único de telegestión (sistema SCADA). Dicho sistema será llamado SMART RAIN II, y permitirá conseguir importantes avances en la telegestión de la ciudad, a la vez que se consiguen mayores ahorros en energía y agua, con la firme intención de reducir la huella de carbono de la ciudad de Logroño y dar un paso en la dirección de las Smart Cities.
Palabras clave
Telegestión, Integral, TIC, Eficiencia, Ahorro, Riego, Inteligente, Smart City, Ahorro, Agua
Introducción
A través del uso de las TIC y la aplicación del concepto de la economía circular se están consiguiendo reducciones, en las emisiones de GEI (Gases de Efecto Invernadero), en el gasto energético, en la huella hídrica y en la huella de carbono. Además, de esta manera se abren las puertas a la integración y sensorización de la ciudad en un nodo de control inteligente, siguiendo el concepto del “Internet de las cosas” (IoT o “Internet of Things”), permitiendo en un futuro realizar una gestión eficiente y sostenible de la ciudad. Logroño, por tanto, se integra en el concepto de Smart City o Ciudad Inteligente, el cual busca la gestión óptima de la ciudad, garantizando la calidad de vida de sus ciudadanos aprovechando las numerosas ventajas que ofrecen las Tecnologías de la Información y las comunicaciones (TICs). En este artículo nos centraremos en dos aspectos clave de la ciudad, agua y energía.
Para ponernos en situación de la problemática medioambiental con respecto al uso del agua, debemos atender a las necesidades hídricas de las zonas verdes, cada vez mayores, debido al aumento de población principalmente y de la expansión de la ciudad de Logroño. Por ello, surge como una obligación la gestión óptima de los recursos hídricos para aprovechamiento de aguas de riego en las zonas verdes.
Para analizar con qué grado debemos afrontar las necesidades hídricas de las zonas verdes, no solo ahora, sino en el futuro, debemos atender a varios factores que tienen peso a la hora de establecer un plan de riego de una zona verde, aunque principalmente son dos: Evapo-transpiración y Pluviometría. En un plano menos importante (por tener carácter configurable), tenemos las características del jardín: especies vegetales, densidad, microclima, tamaño, exposición, tipo de suelo, orientación, orografía, entre otros. También debemos atender a los informes expuestos por el IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), en concreto el informe nº 5, que expone los siguientes datos con respecto a las previsiones de aumento de temperatura:
A raíz de la figura 1, en la que se ha utilizado el escenario RCP 4.5 (Representative Concentration Pathways con un Forzamiento Radiactivo de 4.5 W/m2) se desprende que la tendencia de las temperaturas será aumentar en los próximos años, esto indica que las necesidades hídricas de las zonas verdes también lo harán.
Por otro lado, el IPPC afirma, en su quinto informe, que el ciclo del agua se intensificará en climas más templados (con el aumento de la temperatura), ya que el aire puede albergar más humedad conforme la temperatura aumenta, con cada grado Celsius de calentamiento la atmósfera puede albergar un 7% más de vapor de agua. Esto quiere decir, que el calentamiento climático no implica que deje de llover (debido a que es difícil realizar modelos climáticos de variación de pluviometría), sino que los climas tenderán a ser más variables, o incluso llegar a ser extremos.
Por lo tanto, si analizamos la tendencia mostrada en la figura 2 veremos que con el escenario más pesimista (RCP 8.5) el nº de días secos consecutivos se establece en 15-20. Con lo que se refuerza la idea de gestionar coherentemente el agua para poder hacer frente a las previsiones futuras. Es donde a partir de estas necesidades que nace el concepto de Smart Rain en la ciudad de Logroño.
Smart Rain Logroño Fase I
Durante el año 2013, la D.G. de Medio Ambiente y Eficiencia Energética del Ayuntamiento de Logroño desarrolló como primer proyecto innovador en tecnología de gestión inteligente de servicios urbanos la implantación de las mejores y eficientes técnicas aplicadas a la telegestión de los sistemas de riego del 30% de las zonas verdes en la ciudad de Logroño. Estas técnicas innovadoras se fundamentaban en los principios básicos de la Red de Ciudades Inteligentes en la que nos encontramos inmersos: open data, escalabilidad, M2M, accesibilidad y compatibilidad de protocolos, código abierto entre otros aspectos tecnológicos que evitan la obsolescencia tecnológica y el monopolio a las soluciones o dependencia empresarial.
Tras varios años de funcionamiento, los resultados son tremendamente clarificadores en la línea de la eficiencia energética y económica. De tal conclusión se indican las siguientes cifras extraídas de nuestra base de facturación y contabilización energética sobre los 11 jardines en los que se actuó, con una superficie encespedada equivalente a 38 hectáreas.
Descripción del Proyecto
Smart Rain Logroño Fase II
Tras el éxito de la anterior fase, se propuso ampliar la superficie gestionada hasta cubrir el 85% de los espacios verdes de la ciudad de Logroño, lo que significa un control de 54 hectáreas (aprox.) de espacios verdes. Esta tarea, incluía varios retos a los que había que hacer frente:
- Diferencias entre los programadores de riego utilizados: Los programadores lógicos de riego que se utilizaron para gestionar el riego de las zonas verdes provenían de distintas marcas. Esto implicaba que los lenguajes de comunicación eran tremendamente diferentes.
- Plan de riego personalizado para cada zona: Cada zona verde cuenta con su inventario personalizado de especies, las cuales tienen distintas necesidades hídricas.
- Previsión de lluvias: El programa de riego debe saber si sobre la zona a irrigar se están produciendo precipitaciones y de qué magnitud, para modificar sus parámetros de riego, en consecuencia. De esta manera se evita que el riego preprogramado se active durante periodos de lluvia.
- Horario de riego: La irrigación debería producirse en las horas en las que no hay sol, ya que se reduce la evapotranspiración de las plantas y permite una mejor irrigación del suelo utilizando menor cantidad de agua.
- Comunicación de los programadores lógicos: comunicación de los distintos programadores lógicos con las pasarelas de datos, que a través de un protocolo GPRS se comunican con el sistema SCADA de control y visualización central.
- Diseño del algoritmo eficiente “PER”: Para poder establecer un plan de riego eficiente es necesario crear un algoritmo inteligente, ya probado empíricamente, que sea capaz de determinar las necesidades de riego de forma automática.
Metodología
El diseño de la solución se basa en el uso de las actuales infraestructuras de riego, cambiando los mínimos mecanismos y elementos posibles para reducir costes de implementación.
Diseño de un algoritmo PER de riego eficiente
Para el diseño del algoritmo que permite la irrigación eficiente de las zonas se formula un porcentaje de riego:
% = ƒ(T,p) · Fr ·Kajuste
Donde:
- %: Es un porcentaje que se aplica al tiempo de riego estipulado para cada zona. De tal forma que si llueve dicho factor es ‘0 %’, pudiendo superarse el 100% del tiempo de riego si las necesidades de riego así lo requieren.
- : El porcentaje es función de:
- La lluvia acumulada en ‘x’ días anteriores, donde ‘x’ depende de la temperatura media en 5 días, en valores tabulados.
- En función de los ‘x’ días de lluvia acumulada se le asigna el % estimado.
- es un factor que depende de la velocidad media del viento medida en 5 días.
- es un factor ponderativo, que se aplica según criterio del responsable de riego, pudiendo minorar o mayorar el de riego.
Los valores tabulados para cada variable de la función están recogidos en las siguientes tablas:
Para cubrir todas las áreas de riego en la ciudad se disponen de 5 Equipos Concentradores de Riego (ECR) de 1,1 Km de radio, distribuidos por toda la ciudad, que se conectaran de maneras diversas a las electroválvulas de riego. Según la casuística de cada zona se distinguen principalmente dos maneras de comunicación con las electroválvulas:
- A través de líneas de decodificadores conectadas mediante cable a la estación satélite.
- A través de dos conexiones RS485, que conectarán con dos tipos de receptores a su vez a través de una antena HF de media onda:
- Equipo remoto receptor a batería en arqueta, que controla 2 estaciones de solenoide tipo Latch.
- Equipo remoto receptor a 220V que controla de 4 a 6 estaciones de solenoide tipo Latch.
Por su parte el ECR que comanda las zonas de riego usará conector RS232 para comunicarse con la pasarela de datos IPex04, para pasar al protocolo de comunicación ModBus/TCP, y este a su vez conectar con el modem, que vía GPRS conectará con el PC. El esquema completo se describe en la siguiente figura:
Como se aprecia en el gráfico, a través del sistema Scada podemos establecer una conexión bidireccional vía GPRS con el satélite de zona. Este, a su vez, puede establecer la comunicación con los tres tipos de dispositivo a integrar en los jardines.
Conexión con los programadores de riego ya instalados en las zonas verdes
Para llevar a cabo esta tarea, se dispondrán en los armarios eléctricos, que alojan los equipos de riego, un equipo remoto a batería, que hará de interruptor inalámbrico sobre los programadores de riego. Así por ejemplo, para un programador tipo Hunter, la conexión se haría de este modo:
El receptor inalámbrico de baterías (fig. 4) puede ejercer como conmutador del programador de riego, de tal forma que si es necesario (por las posibles y variadas causas), se puede proceder a la desconexión del riego.
Este receptor inalámbrico se comandará con uno de los 5 ECR de zona y su comunicación por Radio Frecuencia. Estos satélites se dispondrán de manera que se incluya el número mínimo de ellos, cubriendo el máximo área posible.
Al reutilizar los equipos de riego existentes, se presentan unas limitaciones sobre las actuaciones posibles que se pueden llevar a cabo sobre los programadores, realizando un control discreto con una programación de riego fija. Sin embargo, no hay necesidad de controlar más variables puesto que los programadores ya tienen todos los programas de riego instalados y optimizados. Por no hablar del tamaño de la inversión que habría que realizar si hubiera que cambiar todos los programadores de riego en una ciudad.
En el siguiente gráfico se muestran las zonas verdes a gestionar:
Como se ve en la figura 5, la cobertura sobre la ciudad es casi total, habiendo aun zonas que deberán ser tenidas en cuenta para una fase posterior. Los radios de acción de las estaciones satélite abarcan desde los 1,1 Km hasta los 1,5 Km para evitar problemas de cobertura.
Resultados y datos obtenidos
Tras la instalación de los dispositivos satélite y los elementos receptores de información (inalámbricos y cableados) se ha procedido a la incorporación de todos los elementos en un sistema conjunto de visualización y control (plataforma de riego) que permitirá monitorizar todas las áreas implementadas. De esta manera el sistema permitirá, entre otras funcionalidades:
- Determinar los programas de riego necesarios para ajustarse a la carga hídrica necesaria de cada jardín.
- Determinar si está lloviendo sobre la zona, para evitar activar el sistema de riego.
- Realizar modificaciones sobre los programas de riego si se dan períodos largos de sequía:
- modificaciones automáticas en los nuevos equipos conectados al sistema
- modificación manual en los equipos existentes con receptor remoto conectado
- Localizar los posibles fallos electroválvulas o remotos, en caso de que los haya. Dado que los receptores están georreferenciados.
Todo esto se traduce en un ahorro consistente de agua y electricidad que permitirá un ahorro económico muy superior, y por tanto, permitirá rentabilizar el el proyecto en año y medio, siendo el presupuesto de 83.393,20 € IVA incluido.
El software que se utilizará para gestionar las zonas está hecho a medida de las necesidades del Ayuntamiento:
Conclusiones
Este proyecto permitirá ahorrar más de 300.000 m3 de agua y unos 750.000 kWh en electricidad. Lo que se traduce en ahorros anuales de 75.000 € aproximadamente, teniendo en cuenta que para esta segunda fase se utiliza agua potable para riego. Esto implica que los ahorros no sean proporcionalmente superiores a los obtenidos por el Smart Rain Logroño Fase I, cuya agua de riego se aprovecha de la lluvia y por tanto, no es potable.
Referencias
- Stallings, W., 2000, Comunicaciones y Redes de Computadores, Pearson Prentice Hall, Madrid.
- http://www.climatechange2013.org/images/report/WG1AR5_ALL_FINAL.pdf (26 Febrero 2018)
- https://www.hunterindustries.com/sites/default/files/OM_ACC_SP.pdf (28 Febrero 2018)
- http://riversa.es/jardineria/riegos333/riego-municipal/soluciones-control-valvulas-remotas/receptores.html (05 Marzo 2018)
- RS232 – Interfaz que designa una norma para el intercambio de datos entre un equipo de comunicación de Datos (módem) y un equipo terminal de datos (computadora).
- IPex04 – Equipo electrónico que controla y registra datos en el tiempo, con el que se pueden comunicar módem y satélite.
- Modbus/TCP – Protocolo de comunicaciones para puerto serie y Ethernet.
- GPRS – General Packet Radio Service. Sistema que permite mandar y recibir paquetes de datos usando la red de telefonía por satélite.