Aplicación Práctica / Practical Issues
Recibido: 31-05-2019, Aprobado tras revisión: 17-07-2019
Forma sugerida de citación: Ríos, A.; Taipe, D.; Otorongo, M.; Guamán, J. (2019). “Diseño e Implementación de una Plataforma
CloudIoT de Control Inteligente de un Sistema de Iluminación Interior con Suministro en LVDC”. Revista Técnica “energía”.
No. 16, Issue I, Pp. 45-55
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2019 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Diseño e Implementación de una Plataforma CloudIoT de Control Inteligente
de un Sistema de Iluminación Interior con Suministro en LVDC.
Design and Implementation of a CloudIoT Platform for Intelligent Control of
an Interior Lighting System with Supply in LVDC.
A. Ríos
1
D. Taipe
1
M. Otorongo
2
J. Guamán
1
1
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial, Ambato, Ecuador.
E-mail: a.rios@uta.edu.ec; dtaipe659@uta.edu.ec; jguaman0585@uta.edu.ec; manuel.otorongo8995@utc.edu.ec
Abstract
In this article we design and implement an intelligent
control of LED lighting with the integration of
natural lighting in a classroom of the Faculty of
Systems, Electronics and Industrial Engineering.
The study of the optimization of the energy
consumption of luminaries in interior spaces in
educational institutions is analyzed in this article.
The need to reduce the energy consumption of
lighting systems in interior spaces of the Technical
University of Ambato is important to reduce the
economic costs that are generated by its use. In
addition, reduce environmental pollution using new
forms of lighting based on LED technology and
ensure the visual comfort of the occupants according
to the lighting parameters established in the lighting
standard UNE-EN 12464-1.
Index terms CloudIoT, LED, lighting, LVDC
supply.
Resumen
En este artículo se describe el diseño e
implementación de una plataforma CloudIoT de
gestión y control inteligente de un sistema de
iluminación interior con suministro eléctrico en
LVDC, orientado a espacios interiores de la Facultad
de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial,
FISEI. El objetivo de la implementación del control
inteligente del sistema de iluminación es maximizar
el aprovechamiento de luz natural y realizar el
apagado/encendido automatizado del sistema de
iluminación al detectar la ausencia de ocupantes en
el espacio interior, y por tanto, proporcionar una
significativa reducción del consumo eléctrico en el
sistema de iluminación de la FISEI. La reducción del
consumo energético de los sistemas de iluminación
en espacios interiores de la Universidad Técnica de
Ambato permite disminuir significativamente el
coste económico de la factura eléctrica en
iluminación de la FISEI. Además, el uso de sistemas
de iluminación con tecnología LED permiten
garantizar el confort visual de los ocupantes según
los parámetros de iluminación según la normativa de
iluminación UNE-EN 12464-1.
Palabras clave CluodIoT, LED, iluminación,
suministro LVDC.
Edición No. 16, Issue I, Julio 2019
1. INTRODUCCIÓN
Los sistemas de iluminación interior consumen el
15% de la energía eléctrica en el mundo,
correspondiente al 5% de las emisiones de gases de
efecto invernadero [1]. En este sentido, los sistemas de
iluminación interior han contribuido al aumento de la
temperatura media del planeta, que en los últimos 100
años ha experimentado un incremento de temperatura de
0,9°C. Por otro lado, los sistemas de iluminación en
edificios públicos contribuyen con el 24% del total de la
energía eléctrica consumida en el mundo [2]. En los
Estados Unidos, el 31% del consumo eléctrico total en
instituciones educativas corresponde a los sistemas de
iluminación, mientras que en Europa representa un 17%
[3]. El diseño arquitectónico de los centros académicos,
habitualmente se enfoca en maximizar el uso del
espacio interior y no en garantizar la comodidad visual
interior. La implementación de soluciones
arquitectónicas, así como la maximización de la
integración de luz natural a través de ventanas y
lucernarias permitiría obtener un importante ahorro
energético.
En Ecuador, el Plan Maestro de Electrificación
2013-2022 promueve la utilización de nuevas
tecnologías de iluminación interior con lámparas y
luminarias eficientes como son las luminarias LED. Los
sistemas de iluminación LED podrían reducir el
consumo eléctrico en un 50% adicional al obtenido con
el programa de sustitución por focos ahorradores [4].
El presente artículo evalúa la reducción del consumo
eléctrico en un sistema de iluminación interior gracias a
la implementación de una plataforma CloudIoT de
control de presencia y máximo aprovechamiento de la
luz natural, para días soleados, parcialmente nublados y
nublados con precipitaciones. El prototipo de sistema de
control inteligente de iluminación se ha implementado y
evaluado en la sala de investigación de la Facultad de
Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial.
En la actualidad, las plataformas CloudIoT permiten
la gestión de sistemas de adquisición de información,
monitorización, control y visualización con propósitos
específicos. Entre los ejemplos de aplicación práctica de
plataformas CloudIoT destacan:
• Adquisición, monitoreo, tratamiento y
visualización de información de sistemas fotovoltaicos
aislados [5][6][7][8][9].
• Aplicaciones de IoT basadas en RFID [10].
• Monitoreo de animales basado en tecnologías
IoT [11].
• Además de otras aplicaciones en la industria, el
transporte inteligente, medicina, casas y edificios
inteligentes [12].
En la actualidad, una de las aplicaciones más
innovadoras en los sistemas de iluminación interior es el
uso de corriente continua de baja tensión, LVDC, Low
Voltage Direct Current, en terminología anglosajona.
Los sistemas de conversión AC/DC tienen mayores
pérdidas que los sistemas de conversión DC/DC. Las
plataformas de gestión CloudIoT permiten integrar
estrategias de control inteligente para la reducción del
consumo eléctrico en los sistemas de iluminación
interior en corriente continua. Por lo tanto, la
implementación de plataformas CloudIoT en sistemas
de iluminación interior LVDC es una de las más
promisorias líneas de investigación del futuro [13].
La iluminación LED utiliza menos energía que otros
tipos de lámparas para producir el mismo flujo
luminoso. Las lámparas LED pueden atenuarse en un
rango más amplio que las tecnologías existentes como
lámparas fluorescentes. El control de iluminación de
manera individual permite un ahorro promedio entre un
cuarto y un tercio de la energía de iluminación, mientras
que el control múltiple distribuido permite alcanzar un
ahorro promedio de casi 40% [14].
Una de las funcionalidades de los modernos sistemas
de control de iluminación consiste en la maximización
de la integración de luz natural en espacios interiores.
En el año 2011, un estudio realizado en la Universidad
de Saná, Yemen, demostró que un sistema de control de
iluminación, con la funcionalidad de maximizar el uso
de luz natural, obtuvo una reducción del 35% del
consumo de energía eléctrica en el sistema de
iluminación artificial de un edificio de oficinas de la
ciudad de Dhahran, Arabia Saudí [15].
En [16], se presenta una revisión detallada de varias
experiencias asociadas a diferentes estrategias de
control para la maximización del aprovechamiento de
luz natural en sistemas de iluminación artificial. Así, los
resultados de la implementación de sistemas de control
de atenuación del flujo luminoso de las lámparas LED
para maximizar el aprovechamiento de luz natural
indican que es posible alcanzar ahorros en el consumo
eléctrico del sistema de iluminación entre un 30% y
70%.
Asimismo, es importante indicar que el máximo
aprovechamiento de la luz natural en sistemas de
iluminación artificiales depende de las condiciones
meteorológicas. Así, en el hemisferio norte, la reducción
del consumo eléctrico en sistemas de iluminación en
verano, gracias a la máxima integración de la luz
natural, puede ser del 45%, mientras que en invierno ese
ahorro se reduce al 21% y al 35% en primavera [16].
Por otro lado, el ahorro de energía eléctrica en sistemas
de iluminación artificial es superior en días despejados
que en días nublados. La reducción del consumo
eléctrico, debido al aprovechamiento de la luz natural,
en días despejados alcanza un 35%, mientras que en
días nublados un 16%. Los niveles de ahorro de
consumo eléctrico, anteriormente indicados, se han
obtenido en periodos de días claros y nublados
intercalados [16].
Ríos et al. / Diseño e Implementación de una Plataforma CloudIoT de Control Inteligente de un Sistema de Iluminación
La revisión y análisis técnico de alrededor de 160
artículos científicos referentes a experiencias reales de
mejora de la eficiencia energética de los sistemas de
iluminación, basados en la sustitución de luminarias
ineficientes, el control del nivel de iluminación y el uso
de sensores de presencia permitió determinar valores
máximos y mínimos de reducción del consumo eléctrico
en las luminarias de edificios [17]. En ese estudio se
concluye que la implementación de dispositivos de
presencia permite obtener una reducción del consumo
de energía en el orden del 26% al 93%, dependiendo del
tiempo de retraso del sensor de presencia. Un retraso de
20 minutos para la desconexión del sistema de
iluminación implica un ahorro del 46%, mientras que un
retraso de 5 minutos implicaría una reducción del
consumo eléctrico del 86% [17]. Un retraso de tiempo
de desconexión más corto permite un ahorro superior en
comparación a un retraso de tiempo de desconexión más
largo. Por otro lado, el control de iluminación natural es
una alternativa rentable para la reducción de energía
eléctrica de los sistemas de iluminación en edificios
comerciales e institucionales. El aprovechamiento de
luz natural puede generar ahorros significativos de
iluminación que oscilan entre el 30 y 77%.
En [18] se presenta un estudio de control de
iluminación para maximizar el aprovechamiento de luz
natural en una escuela de secundaria en la ciudad de
Haacht, Bélgica. El estudio evalúa el comportamiento
energético, en un periodo de un año, en 3 aulas
contiguas, con medidas geométricas iguales y
parámetros equivalentes, pero con diferentes estrategias
de control. Los espacios evaluados cuentan con tres filas
de tres luminarias cada una. Una fila cerca de la
ventana, una fila en la mitad y una fila cerca del
corredor. Todas las aulas están equipadas con un
detector de presencia con un retardo de tiempo de
apagado establecido en 10 minutos. En el aula 1 se
implementa un control de iluminación, con ayuda de un
sensor de luz natural por luminaria, que permite la
atenuación de la iluminación de manera individual. En
el aula 2 se coloca un sensor de luz centralizado, al
superar un umbral establecido atenúa la iluminación en
dos niveles de control. El primer nivel atenúa la
iluminación de la fila de luminarias cercana a la
ventana, mientras que el segundo nivel atenúa las filas
de luminarias de la mitad y las cercanas al corredor. En
el aula 3 se coloca un sensor de luz orientado al exterior.
Se programa un nivel de atenuación independiente para
cada fila de luminarias. El resultado del ahorro de
energía de iluminación en las aulas evaluadas fue del
34%, 18% y 46%, respectivamente.
En este artículo se describe el diseño e
implementación de una plataforma CloudIoT de control
inteligente de un sistema de iluminación en LVDC. El
sistema de control de iluminación integra un sensor de
presencia, para el apagado de luminarias en ausencia de
personas; un sensor de luz, ubicado en el exterior del
edificio, que adquiere la información sobre el nivel de
iluminación de luz natural; y un dispositivo de control
de iluminación de las luminarias LED. El sistema de
control inteligente compara las mediciones de los
sensores de iluminación interior y exterior. Si el nivel de
iluminación exterior es aprovechable se inicia la
apertura de las persianas. El dispositivo de control de las
luminarias LED atenúa el nivel de iluminación,
maximizando el aprovechamiento de la luz natural
exterior y garantizando los mínimos niveles de
iluminación, 300 luxes, en los planos de trabajo,
establecidos en la normativa de iluminación en espacios
interiores, UNE-EN 12464-1. La óptima combinación
del máximo aprovechamiento de la luz natural y la
iluminancia de las lámparas LED garantizan una
significativa reducción del consumo eléctrico del
sistema de iluminación artificial.
El objetivo de la implementación de un control
inteligente del sistema de iluminación es garantizar la
reducción del consumo eléctrico, debido al máximo
aprovechamiento de la luz natural y al apagado del
sistema de iluminación al detectar la ausencia de
ocupantes en el espacio interior. El acceso a la
información del consumo eléctrico del sistema de
iluminación, así como el control de la consigna del nivel
de iluminación en luxes que se necesita en el espacio de
trabajo se realiza a través de una Plataforma CloudIoT,
bajo la distribución de software y hardware libre.
En la Fig. 1, se presenta el diagrama de flujo de la
metodología de investigación empleada en el presente
estudio. Inicialmente, se recopiló y sistematizó la
información sobre experiencias prácticas de control
inteligente de sistemas de iluminación LED.
Posteriormente, se describe el proceso de diseño y
simulación del circuito electrónico de control de flujo
luminoso de luminoso de las lámparas LED, con ayuda
del software especializado Proteus. Asimismo, se
empleó el software AutoCAD para la realización del
diseño de la estructura metálica de soporte de la
luminaria LED y la persiana. Después se procedió al
desarrollo y programación de la página web que
permitirá la gestión y visualización de la información
del sistema de control inteligente desde una plataforma
CloudIoT. Finalmente, se describe la implementación y
validación práctica del prototipo de plataforma
CloudIoT de control inteligente del sistema de
iluminación interior con suministro en LVDC. Además,
se presenta un análisis de la reducción del consumo
eléctrico y del coste económico al integrar el sistema de
control inteligente de iluminación LED en la sala de
investigación y al edificio principal de la Facultad de
Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial, FISEI.
Edición No. 16, Issue I, Julio 2019
El esquema general del prototipo de plataforma
CloudIoT de control inteligente del sistema de
iluminación interior con suministro en LVDC se
muestra en la Fig.2. El prototipo implementado presenta
tres funcionalidades importantes: el encendido/apagado
automatizado ante la presencia/ausencia de personas; el
control electrónico inteligente del flujo luminoso de las
lámparas LED para maximizar el aprovechamiento de
luz natural; y la gestión y visualización de la
información a través de la plataforma CloudIoT.
Figura 2: Esquema de la Plataforma CloudIoT de control
inteligente de iluminación LED en corriente continua.
2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL
INTELIGENTE DE ILUMINACIÓN
INTERIOR
La implementación de un prototipo electrónico de
control inteligente permite encender y apagar las
luminarias LED de manera automática al detectar la
presencia o ausencia en el espacio interior evaluado.
Asimismo, el prototipo implementado permite, gracias a
un control coordinado, maximizar la aportación de
iluminación natural, regulando tanto la apertura y cierre
de las persianas como el nivel del flujo luminoso de las
lámparas LED.
El sistema inteligente de control garantiza el mínimo
nivel de iluminación necesario en el interior de aulas y
laboratorios, de acuerdo a lo establecido en la normativa
de iluminación en espacios interiores UNE-EN 12464-1,
comparando el nivel de iluminación aprovechable
existente en el exterior y la iluminación artificial
proporcionada por las luminarias LED.
El prototipo de control inteligente del sistema de
iluminación LED consta de cuatro bloques, Fig. 3.
Figura 3: Diagrama de bloques del sistema de control
inteligente de iluminación interior.
Recolección de
Información
Control de
iluminación LED
-Selección de
dispositivos
electrónicos
-Normas de
iluminación
Experiencias
-Diseños
-Simulaciones
Diseño y Simulación
Monitoreo
-Luminaria LED
-Persiana
Iluminación LED
-Circuito y placa
electrónica
-Página web
Estructura
mecánica
Implementación y
Validación
Plataforma
CloudIoT
-Control de
iluminación
-Gestión de la
información
Circuito de control
-Montaje del
circuito electrónico
Evaluación Técnico
Económico
Sala de
Investigación,
Edificio Principal
FISEI
-Consumo eléctrico
luminarias
-Costo consumo
-Emisiones CO
2
Figura 1: Diagrama de flujo de la metodología de la investigación.
yy
Ríos et al. / Diseño e Implementación de una Plataforma CloudIoT de Control Inteligente de un Sistema de Iluminación
En el primer bloque se realiza la medición y
adquisición de información con ayuda de sensores de
movimiento, corriente, tensión, así como de dos
sensores de luz, exterior e interior. El segundo bloque se
encarga del acondicionamiento y procesamiento de
datos, con ayuda de un controlador Arduino Nano, en
función a la programación previamente establecida, que
procesa la información adquirida por los sensores.
En el tercer bloque se realiza la activación de
diferentes funcionalidades del sistema de control
inteligente de iluminación LED: encendido/apagado de
las luminarias LED al detectar presencia o ausencia de
personas; apertura/cierre de las persianas para la
maximización del aprovechamiento de la luz natural;
control del flujo luminoso de las lámparas LED, en
coordinación con el cierre/apertura de las persianas para
garantizar el mínimo nivel de iluminación, establecido
en la normativa vigente; envío de información de las
magnitudes del sistema de iluminación a la plataforma
CloudIoT.
Finalmente, el cuarto bloque se encarga del
almacenamiento de la información adquirida del sistema
de control inteligente de iluminación implementado en
una base de datos en un servidor, alojado en una
raspberry pi 3. La monitorización, gestión y
visualización de la información del sistema de
Iluminación LED se realiza a través de la plataforma
CloudIoT. En la Fig. 3, se presenta el diagrama de
bloques del control inteligente del sistema de
iluminación LED, con suministro eléctrico en corriente
continua LVDC.
La descripción del funcionamiento del control
inteligente del sistema de iluminación LED se presenta
en diferentes etapas:
1. Inicialmente el sistema de iluminación se
encuentra apagado. Si el prototipo detecta movimiento,
en el espacio evaluado, activa los sensores de luz y
estima los niveles de iluminación exterior e interior.
2. El prototipo compara los niveles de iluminación
interior y exterior y, en función del resultado obtenido,
se inicia la activación del control de las persianas.
3. La apertura y cierre de las persianas se realiza en
rangos establecidos dentro de la programación del
Arduino Nano, maximizando el aprovechamiento de la
luz natural.
4. Al mismo tiempo, se controla el flujo luminoso
de la lámpara LED mediante el control de modulación
por ancho de pulsos, PWM, con el objetivo de mantener
el nivel de iluminación mínimo establecido según la
normativa UNE-EN 12461-4.
5. El tiempo establecido para la desconexión del
sistema de iluminación es de 5 minutos, siempre y
cuando no se detecte movimiento por debajo del tiempo
establecido. Un tiempo superior implica un mayor
consumo eléctrico del sistema de iluminación.
El suministro eléctrico del prototipo se realiza en
corriente continua. Se utiliza conversores de voltaje DC-
DC en dos casos: en el primer caso se utiliza un
elevador de voltaje DC-DC para la alimentación del
circuito de control de iluminación LED. En el segundo
caso se utiliza un reductor de voltaje DC-DC para
obtener el voltaje requerido y soportado para el
funcionamiento correcto del microcontrolador y
microprocesador, así como, de los sensores y actuadores
que cuenta el prototipo. En la Fig. 4, se muestra el
esquema de conexiones del prototipo del sistema de
control inteligente de iluminación LED.
El prototipo del sistema control inteligente de
iluminación interior presenta las siguientes
funcionalidades:
- Utiliza la iluminación solo cuando y donde sea
necesaria.
- Ajusta los niveles de iluminación para reducir el
consumo energético del sistema de iluminación.
- Permite una iluminación uniforme mejorando la
visibilidad.
- Mejora la calidad de vida de los estudiantes, el
personal docente y los visitantes.
- Permite la gestión y control del sistema desde
una página web.
- Permite la visualización de información y la
elaboración de informes técnicos. Los Trabajos
Técnicos deberán cumplir con las siguientes
recomendaciones generales
Edición No. 16, Issue I, Julio 2019
Figura 4: Sistema de control PI de lazo cerrado.
3. DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL CIRCUITO DE
CONTROL DE LAS LÁMPARAS LED
3.1. Criterios de Diseño
Los criterios considerados en el diseño del circuito
de control de las lámparas LED se presentan a
continuación:
Utilización de hardware y software libre.
La alimentación del circuito de control es en
corriente continua.
Control de tensión e intensidad en corriente continua
para regular el flujo luminoso de las lámparas.
Control proporcional e integral, PI.
Control del flujo luminoso se lo realiza por
modulación de ancho de pulsos, PWM.
Por otro lado, para el desarrollo del prototipo de
control inteligente del sistema de iluminación se emplea
un control proporcional e integral, PI, que permite la
compensación del nivel de iluminación de acuerdo a las
condiciones de iluminación requeridas en el espacio
interior evaluado.
En caso de que en el proceso de maximización del
aprovechamiento de luz natural no se alcancen los
niveles mínimos de iluminación en las superficies de
trabajo del espacio interior evaluado, el circuito
electrónico de control regula del flujo luminoso de las
lámparas LED, garantizando el nivel de iluminación
establecido. El circuito electrónico de control compensa
el déficit de luz natural suministrando los luxes
necesarios desde la lámpara LED.
En la Fig. 5, se muestra el esquema del sistema de
control proporcional e integral de lazo cerrado. Un
controlador PI representado en el diagrama de bloques
de la F ig. 5 [19].
Figura 5: Sistema de control PI de lazo cerrado.
3.2. Simulación del circuito de control
La simulación del circuito de control de la lámpara
LED se realizó con ayuda del software Proteus.
Previamente se realizó la programación en el Arduino
Nano, que permite regular la modulación por ancho de
pulsos, PWM, así como el pin de salida de la señal
analógica. La señal PWM proveniente del Arduino se
conecta en la base del transistor Q1 del circuito de
control, que regula el flujo luminoso de la lámpara
LED. En la Fig. 6, se observa el circuito de control del
flujo luminoso a simular, mientras que en la Fig. 7 se
presentan las imágenes de modulación por ancho de
pulsos de la onda de voltaje, PWM, que permite obtener
porcentajes 75%, 50% y 25% de la iluminación
nominal.
El artículo técnico podrá ser escrito en idioma inglés
o español. Sea cual fuere el caso, en la primera página
se deberá incluir el título (title), el resumen (abstract) y
las palabras clave (index terms) en inglés y en español
(en ese orden).
El cuerpo principal del Trabajo Técnico debe
empezar con una sección de Introducción y terminar
Figura 6: Simulación del circuito de control del flujo luminoso de
la lámpara.
Ríos et al. / Diseño e Implementación de una Plataforma CloudIoT de Control Inteligente de un Sistema de Iluminación
Figura 7: Porcentaje de PWM 75% - 50% - 25%.
4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE LA
PLATAFORMA CLOUDIoT
La instalación del servidor LAMP se realizó en una
raspberry pi 3. La plataforma fue diseñada con
Wordpress, software desarrollado para el diseño de
páginas web que ofrece gran variedad en
personalización de las funcionalidades. En la Fig. 8 se
presenta la estructura de la interfaz web desarrollada.
Figura 8: Estructura de la interfaz Web.
4.1. Interfaz del Sistema de Monitoreo
La interfaz del sistema de monitoreo cuenta con
cuatro páginas que brindan información de las
magnitudes eléctricas, consumo en kilovatios hora,
costo atribuido al consumo realizado y un historial de
datos. Cada una de las paginas fueron desarrollados con
lenguaje de programación HTML y PHP. En la Fig. 9 se
presenta la funcionalidad de cada página del sistema de
monitoreo. En la opción datos se presenta el registro de
las magnitudes eléctricas de voltaje, corriente y potencia
visualizadas en una gráfica. En la opción de consumo se
puede consultar por fechas específicas el consumo
eléctrico en kWh del sistema de iluminación. Asimismo,
existe una opción para la consulta del costo del
consumo, se puede realizar las consultas de acuerdo a
las fechas requeridas por el usuario.
Figura 9: Interfaz del sistema de monitoreo.
4.2. Interfaz del Sistema de Control
La interfaz del sistema de control cuenta con
diferentes opciones de niveles de iluminación que
pueden ser establecidos de acuerdo a los requerimientos
de los usuarios o dependiendo del espacio interior
evaluado. En la Fig. 10, se presenta la interfaz de
control web del sistema de gestión en la plataforma
CloudIoT
Figura 10: Interfaz de entrada de la plataforma de monitoreo.
Edición No. 16, Issue I, Julio 2019
5. IMPLEMENTACIÓN Y VALIDACIÓN
PRÁCTICA DEL PROTOTIPO
5.1. Implementación del Circuito de Control
La comprobación del correcto funcionamiento del
circuito de control del flujo luminoso de la lámpara
LED se realizó con ayuda de simulaciones en el
software Proteus. Un paso previo para la
implementación práctica del circuito de control del flujo
luminoso de la lámpara LED es el diseño de la placa
electrónica. El diseño de la placa electrónica se realizó
con ayuda del software Proteus. Posteriormente, se
realizó la implementación física de la placa y soldado de
los elementos electrónicos del circuito de control del
flujo luminoso de la lámpara LED. En este apartado se
detalla las actividades realizadas para la implementación
y validación del prototipo de control inteligente del
sistema de iluminación LED, Fig. 11. A continuación,
se enlista las actividades más relevantes en la
implementación y validación del prototipo:
- Diseño y montaje de la estructura metálica de
soporte: luminaria LED y persiana.
- Comprobación del funcionamiento del circuito de
control en la placa de pruebas protoboard.
- Diseño e implementación de la placa electrónica.
- Montaje del circuito electrónico, sensores,
actuadores y elementos utilizados en el prototipo.
- Diseño e implementación de la página web de
gestión de la plataforma CloudIoT.
- Validación del funcionamiento del sistema
inteligente de iluminación.
Figura 11: Sistema de control y monitoreo de iluminación con
fuente LVDC.
6. EVALUACIÓN TECNICO-ECONÓMICA DEL
CONTROL DE ILUMINACIÓN
6.1. Análisis del Consumo Eléctrico y Coste
Económico del Sistema de Iluminación de la
Sala de Investigación de la FISEI
La estimación del consumo eléctrico y coste
económico en la sala de investigación se realizó para el
periodo de un año. El consumo eléctrico se ha estimado
en función del número de días soleados, parcialmente
nublados y nublados para la ciudad de Ambato en un
año, tabla 1. El número de días estimados se ha ajustado
para los tres tipos de días evaluados, en la tabla 1, al
calendario académico de la Universidad Técnica de
Ambato. Posteriormente, se escaló de un año a 15 años,
la estimación del consumo eléctrico de la sala de
investigación.
Tabla 1: Días de sol, parcialmente nublados, nublado y
precipitaciones [20].
Meses
Días
de
Sol
Días
Parcialmente
Nublados
Días
Nublado
Días de
Precipitaciones
Enero
5.4
22.7
2.9
26.1
Febrero
4.3
18.6
5.3
25
Marzo
1.6
19.7
9.6
29.4
Abril
1
19.7
9.3
29.3
Mayo
3.4
22.2
5.4
27.2
Junio
10.2
18.3
1.5
18
Julio
18
12.5
0.5
11
Agosto
18.2
12.4
0.5
10.6
Septiembre
11.5
16.7
1.8
17
Octubre
4.1
20.4
6.5
26.2
Noviembre
2.5
19.9
7.6
27.3
Diciembre
3.5
22
5.5
28.2
En la tabla 2, se presentan los resultados de la
estimación del consumo eléctrico y del coste económico
de la sala de investigación de la Facultad de Ingeniería
en Sistemas Electrónica e Industrial (FISEI). durante un
año y en un horizonte de 15 años. Es importante indicar,
que la estimación para el sistema iluminación LED con
control inteligente, incluye los resultados obtenidos para
los tres tipos de días evaluados: soleado, parcialmente
nublado y nublado. Asimismo, se estima el nivel de
emisiones de CO2, asociadas a los diferentes casos
evaluados, tabla 2.
Tabla 2: Consumo de energía y costo económico de la sala de
investigación de la FISEI.
Sistema de
Iluminación
Consumo Eléctrico
kWh
Costo Consumo
Eléctrico
$
Emisiones CO
2
Ton CO
2
año
15 años
año
15 años
año
15 años
Fluorescente
1270,08
19051,2
80,02
1200,23
435,13
6526,94
LED
604,8
9072
38,10
571,52
207,20
3108,07
Control LED
363,2
5448
22,88
343,22
124,43
1866,48
De acuerdo a los resultados obtenidos de la tabla 2,
se deduce que, en un horizonte de 15 años, el coste
económico del consumo eléctrico total del
funcionamiento del sistema de iluminación LED con
control, cumpliendo los requisitos mínimos de
iluminación, se reduce significativamente en
comparación con los sistemas de iluminación
fluorescentes y LED sin control. En el caso estudiado, el
ahorro obtenido en la factura de electricidad del
consumo eléctrico en las luminarias de la sala de
Ríos et al. / Diseño e Implementación de una Plataforma CloudIoT de Control Inteligente de un Sistema de Iluminación
investigación sería $857,01, en un horizonte de análisis
de 15 años, en comparación al consumo del sistema
fluorescente existente. Por tanto, se estima una
reducción anual del consumo eléctrico en la sala de
investigación del 71% en relación al sistema de
iluminación fluorescente, desde 19051,2 kWh, en el
caso del sistema de iluminación fluorescente, a 5448
kWh para los sistemas de iluminación LED con un
sistema del control inteligente implementado.
En el horizonte evaluado de 15 años, el coste
económico del consumo eléctrico del sistema
fluorescente supera los $78 033,72 dólares, en tanto que
para el sistema LED con control es de $13 179,80
dólares. En un horizonte de 15 años, el ahorro
económico del consumo eléctrico del sistema de
iluminación en el edificio principal de la FISEI, sería de
aproximadamente $64 853,92 dólares, correspondiente a
una reducción del consumo eléctrico desde 1238630,4
kWh, en el caso del sistema de iluminación
fluorescente, a 209203,2 kWh para los sistemas de
iluminación LED con un sistema del control inteligente
implementado.
Tabla 3: Consumo de energía y costo económico del edificio
principal de la FISEI.
Sistema de
Iluminación
Consumo Eléctrico
kWh
Costo Consumo
Eléctrico, $
Emisiones CO2
Ton CO2
año
15 años
año
15 años
año
15
años
Fluorescente
82575,4
1238630,4
5202,25
78033,72
28,29
424,35
LED
23224,3
348364,8
1463,13
21946,98
7,96
119,35
Control
LED
13946,9
209203,2
878,65
13179,80
4,78
71,67
7. CONCLUSIONES
Los sistemas de iluminación fluorescentes de la
Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e
Industrial son tecnologías ineficientes que representan
un elevado consumo eléctrico. Asimismo, los sistemas
de iluminación fluorescentes existentes, en aulas y
laboratorios de la FISEI, no garantizan los parámetros
técnicos mínimos que establecen las normativas
vigentes de iluminación interior según se desprende en
un estudio realizado previamente y cuyos resultados
fueron presentados en [21].
El análisis comparativo realizado entre luminarias
fluorescentes y LED, con ayuda del software de diseño
y simulación DIALux, permitió determinar que las
luminarias LED ofrecen una mayor eficiencia lumínica
y energética en comparación a las luminarias
fluorescentes. Las luminarias LED empleadas permiten
garantizar el nivel de iluminancia mantenida de 300
luxes en las diferentes superficies de trabajo dentro de
los rangos establecidos en la normativa de iluminación
de espacios interiores UNE-EN 12464-1.
El prototipo permite optimizar el consumo eléctrico
del sistema de iluminación al encender la luminaria
únicamente al detectar presencia en el espacio interior
evaluado y apagarse al detectar ausencia de usuarios.
Además, permite maximizar el aprovechamiento de la
luz natural con la apertura automática de la persiana
implicando una reducción adicional del consumo
eléctrico.
Con un nivel de iluminación de 350 luxes dentro del
espacio interior evaluado, el análisis del prototipo de
control de iluminación inteligente en los días de sol y
parcialmente nublado proporciona un ahorro del 73% en
el consumo de electricidad, mientras que, en los días
nublados el ahorro es del 62.5%. Estos porcentajes se
obtuvieron al compararse la luminaria LED controlada
frente a la luminaria fluorescente existente.
Los estudios comparativos realizados para la
estimación del ahorro en consumo eléctrico y coste
económico para las diferentes propuestas de sustitución
de luminarias de la sala de investigación evaluada
confirman el importante ahorro económico a obtener
por la sustitución de luminarias ineficientes por
luminarias LED. En la sala de investigación evaluada, el
ahorro obtenido sólo por la sustitución de luminarias
fluorescentes por luminarias LED Lithonia, en tan sólo
una sala de investigación sería de $2 223,22 en un
horizonte de análisis de 15 años. Se estima una
reducción anual del consumo eléctrico en la sala de
investigación del 52,38%.
Por otro lado, el análisis comparativo del consumo
eléctrico y coste económico realizado para el edificio
principal de la FISEI. En un horizonte de 15 años,
permitió definir un ahorro económico del consumo
eléctrico del sistema de iluminación en el edificio
principal de la FISEI, sería de aproximadamente $64
853,92 dólares.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer a la Facultad de Ingeniería
en Sistemas, Electrónica e Industrial por su especial
apoyo al trabajo de titulación “Plataforma IoT de
control inteligente de un sistema de iluminación LED
con suministro eléctrico en corriente continua LVDC” y
a la Dirección de Investigación y Desarrollo, DIDE, de
la Universidad Técnica de Ambato por su especial
apoyo en el desarrollo de la presente propuesta, gracias
a la financiación del proyecto “Implementación de una
Plataforma Cloud de Evaluación de Recurso Eólico”,
PFISEI017.
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Energía, Edición Nº15, enero 2019.
Alberto Ríos Villacorta.
Ingeniero Eléctrico en Sistemas y
Redes Eléctricas por el Instituto
Politécnico de Bielorrusia, 1993.
Master en Energías Renovables
por la Universidad Europea de
Madrid, 2004. Dr. Ingeniero
Eléctrico por la Universidad
Carlos III de Madrid, 2007. Profesor Ayudante de la
Universidad Carlos III de Madrid, 1998-2001. Profesor
Adjunto de la Universidad Europea de Madrid, 2001-
2014. Director Técnico de Energy to Quality,
Laboratorio de Ensayos de Turbinas Eólicas y
Simulaciones de parques Eólicos, 2005-2006. Director
del Máster Oficial de Energías Renovables de la
Universidad Europea de Madrid, 2007-2011.
Actualmente es profesor principal de la Universidad
Técnica de Ambato en la facultad de Ingeniería en
sistemas electrónica e Industrial
Manuel Otorongo Cornejo.- Es
Ingeniero Eléctrico en Sistemas
Eléctricos de Potencia de la
Escuela Politécnica Nacional. Fue
Jefe de Área y Jefe de Sección en
Empresa Eléctrica Ambato S.A.,
Especialista, Director y Gerente de
Distribución en Empresa Eléctrica
Quito. Ha sido Presidente del Comité técnico nacional
de normalización para transformadores de distribución.
Es Profesor Contratado en la Facultad de Ingeniería en
Sistemas, Electrónica e Industrial de la Universidad
Técnica de Ambato.
Diego Abraham Taipe.- Nació en
Pujilí, Ecuador, el 28 de abril de
1992. Se graduó como bachiller en
el Colegio “Nacional Experimental
Provincia de Cotopaxi” en el 2010.
Egresado de la carrera de
Ingeniería Electrónica y
Comunicaciones de la Facultad de
Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial de la
Universidad Técnica de Ambato.
Jesús Guamán Molina.- Nació
en Latacunga, Ecuador en 1990.
Recibió su título de Ingeniero
Electrónico y Comunicaciones de
la Universidad Técnica de Ambato
en el año 2015. Es Investigador en
la Facultad de Ingeniería en
Sistemas, Electrónica e Industrial
de la Universidad Técnica de
Ambato. Actualmente se encuentra cursando sus
estudios de posgrado en el Escuela Politécnica Nacional
en la Maestría de Energía Eléctrica mención Smart
Grid.
