Realidad aumentada para mejorar la eficiencia energética del uso final, en el marco de las smart grids
- Autores: Manuel Alonso Rosa
- Directores de la Tesis: Aurora del Rocío Gil de Castro (dir. tes.), Antonio Moreno Muñoz (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eva González Romera (presid.), Cristian Martín Fernández (secret.), Eduardo Cañete Carmona (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Computación Avanzada, Energía y Plasmas por la Universidad de Córdoba
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. introducción o motivación de la tesis En este trabajo se ha implementado la integración de la tecnología del Internet de las cosas (IoT) con la realidad aumentada (AR), en el desarrollo de una aplicación que muestra el potencial de su interconexión poniendo en valor lo que denominamos realidad mixta. Por tanto, se pretende explorar la utilidad de estas nuevas vías de interacción hombre-máquina para mostrar diferentes variables eléctricas (potencia activa y reactiva, tensión, corriente eficaz, temperatura, tiempo, etc.) para aumentar la conciencia de ahorro energético en los usuarios. Estos datos deben darse de forma que permitan comparaciones entre diferentes fechas, sean comprensibles para personas no expertas, y proporcionen información que ayude al usuario a comprender qué parámetros tienen mayor influencia en el consumo total de energía. Por tanto, el propósito es emplear tecnologías AR para visualizar los datos de energía captados por los sensores con tecnología del Internet de las Cosas, colocados en los electrodomésticos, para convertirlos en inteligentes.
La bajada de precios o disminución de los costos para la adquisición de las tecnologías de la información y las comunicaciones, combinada con el aumento de las presiones ambientales y reglamentarias en favor de la eficiencia energética y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, favorece y permite que muchas ciudades y comunidades inteligentes se replanteen o estén considerando actualmente el Internet de las cosas como la herramienta adecuada para abordar el ahorro de energía en los edificios residenciales y comerciales. A través de estas plataformas IoT, la información puede ser analizada, almacenada y visualizada de una manera bien diseñada, y lo más importante es que puede ser accesible desde cualquier parte del mundo. Además, la calidad de la energía eléctrica (Power quality PQ) es una preocupación no sólo por el daño que se produce en el equipo y en el propio sistema de distribución eléctrica, sino porque desperdicia energía y reduce la capacidad eléctrica. Si la infraestructura de medición y el IoT continúan evolucionando, los medidores inteligentes podrían complementarse mejor con información proporcionada por dispositivos de submedición IoT PQ embebidos. Esto permitirá a los aparatos autocontrolar no sólo su consumo de energía eléctrica sino también su calidad, un enfoque hasta ahora inexplorado.
Como conclusión, con una plataforma de PQ de IoT, sería posible ofrecer funcionalidades avanzadas para aplicaciones de gestión de la energía a los consumidores finales y a los administradores de edificios.
La AR es, sin duda, una de las tecnologías que transformará la forma en que los seres humanos interactúan con su entorno. Una de las razones es que la AR es una de las formas más eficientes e intuitivas de proporcionar información contextualizada sobre objetos en entornos reales, ya que aparecen en el mismo lugar que el objeto en cuestión Ninguno de los trabajos analizados está relacionado con los aspectos de visualización de la información energética para los usuarios. En este trabajo, el objetivo es plantear un sistema AR para que los usuarios visualicen, en tiempo casi real, el consumo de energía de sus electrodomésticos, así como parámetros adicionales de calidad de la energía. Esta aplicación proporcionará a los usuarios una potente herramienta para comprender el consumo de energía de algunos de los electrodomésticos de sus hogares, ayudándoles a seguir diferentes estrategias para intentar reducir el consumo de energía y, por lo tanto, para reducir la factura de electricidad.
Por tanto, el objetivo principal de este trabajo es ayudar a visualizar y monitorizar el consumo de energía eléctrica de cualquier aparato eléctrico, doméstico o industrial. Para ello se ha diseñado e implementado un medidor de energía del que se obtienen distintas variables eléctricas. Este sistema de monitorización es gestionable, sencillo de instalar y fácil de mantener y permite monitorizar el consumo de energía eléctrica de diferentes dispositivos conectados a la red eléctrica o de las diferentes secciones de una instalación eléctrica de manera no intrusiva. Además, proporciona al usuario históricos del consumo de energía de forma diaria, semanal y mensual, etc por cada uno de los dispositivos conectados y permite una visualización atractiva y fácil de comprender para el usuario.
2.contenido de la investigación En términos generales, nuestro sistema de visualización con AR se compone de tres elementos principales: un conjunto de nodos o sensores encargados de recopilar información del consumo de energía eléctrica de diferentes electrodomésticos para almacenarla en la Nube; una interfaz de usuario AR compatible con un dispositivo como un teléfono o gafas inteligentes, a través del cual se puede acceder a la información recopilada por los sensores; y, finalmente, un marcador o imagen objetivo AR que permite vincular la información con un punto físico de forma dinámica. La combinación de estos tres elementos permite crear una aplicación que es mucho más intuitiva que las tradicionales para mostrar información sobre el consumo de energía eléctrica.
Los componentes de esta plataforma son un sensor IoT PQ capaz de medir tensión, potencia activa, corriente, potencia aparente y otros parámetros eléctricos importantes; un subsistema de comunicación encargado del intercambio de datos entre el sensor y la plataforma en Internet, y entre la plataforma y el dispositivo AR. La plataforma de internet es un servidor, responsable del análisis y el almacenamiento de los datos recopilados por el medidor inteligente.
El dispositivo hardware principal es una placa electrónica que funciona como sensor IoT PQ. Este sensor es un diseño propio que proporciona información relacionada con PQ y el consumo de energía eléctrica sobre un elecrodoméstico de una instalación y se utiliza para proporcionar información sobre algunos parámetros eléctricos de interés. Además, puede instalarse de forma no intrusiva en un electrodoméstico, dentro de un edificio y es capaz de subir los datos recogidos a la plataforma en la Nube de IoT. La novedad de esta tesis es la capacidad de medir y enviar datos agregados de PQ a la Nube, así como procesar los datos y comprobar el cumplimiento de la norma.
El objetivo principal de la aplicación de AR es presentar datos de mediciones de consumo de energía eléctrica cuando un electrodoméstico está a la vista de la cámara de un teléfono inteligente o tableta. De esta manera, el usuario puede ver en la pantalla un objeto virtual que contiene las últimas mediciones de PQ (obtenidas por el sensor IoT PQ) superpuestas en el marco asociado a la imagen objetivo en el entorno real.
Se recogen una serie de medidas realizadas con el sensor IoT sobre algunas cargas típicas presentes en el interior de cualquier vivienda tipo. Se pretende monitorizar las gráficas de consumo de energía eléctrica cuando están conectados algunos equipos domésticos como microondas, lavadora y frigorífico, entre otros. Esta prueba nos ofrece información sobre como se consume la energía en dicha vivienda. Podemos conocer cuando se enciende o apaga un electrodoméstico en particular, si conocemos su patrón de consumo, y comprobar si la curva de consumo global de la vivienda coincide con la facilitada por la distribuidora.
Se muestran las mediciones realizadas con los sensores IoT utilizados en el lugar de prueba y, a través de un análisis de los valores y graficas obtenidas se realiza el análisis de los resultados. Además, se incluye la realización de análisis de la seguridad del sistema.
Para evaluar el sistema AR desde tres puntos de vista diferentes se analizan tres escenarios: (1) selección de las imágenes objetivo más adecuadas, (2) evaluación del sistema cuando se detectan las imágenes objetivo en entornos reales, y (3) evaluación del sistema cuando se detectan las imágenes objetivo en imágenes impresas.
3.conclusión Lo que se ha desarrollado es una solución basada en IoT y AR de bajo costo que monitoriza las variables de consumo de energía eléctrica dentro de las instalaciones; esto resulta sumamente beneficioso para la gestión de un edificio. Las publicaciones anteriores consideran que los parámetros de PQ registrados que se encuentran en la Nube pueden ayudar a reducir el consumo de energía eléctrica en un edificio. Sin embargo, esos datos también pueden utilizarse para detectar automáticamente las perturbaciones de PQ e incluso compararse con los valores estándar.
Hasta donde sabemos, no existe ningún sistema de IoT de bajo costo dedicado a la monitorización simultánea de PQ y energía. El artículo recientemente publicado [¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.] presenta un sistema de monitorización fácil de usar basado en IoT y AR, sin embargo, sus mediciones provienen de un medidor energético tradicional, sin realizar ninguna medición relacionada con la PQ, ni considerar la submedición. Proporcionar información sobre PQ se considera como un sensor de buena calidad que permite ahorrar energía y aumenta la capacidad eléctrica. Además, si comparamos el artículo indicado con el trabajo [¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.], podremos afirmar que nuestra gran contribución es hacer posible la "granularidad" en la medida de la energía que se ofrece al usuario. Hasta ahora, la falta de submedición o registro del consumo de energía "detrás del contador electrónico", por ejemplo, a nivel del sistema o en los electrodomésticos individuales, ha sido una barrera infranqueable que impedía conocer en detalle cómo se consumía la energía.
Esta tesis resuelve este problema mediante un novedoso y económico sensor de AR e IoT para medir el consumo y analizar la calidad de la energía a la entrada de cualquier aparato individual de Corriente Alterna (CA), proporcionando un sistema de detección y análisis tempranos que controla esas variables críticas dentro de la instalación y permite anticiparse a las fallas con alertas en etapas tempranas. Además, los parámetros de PQ registrados que se procesan en la Nube pueden ayudar a reducir el consumo de energía eléctrica, ya que las perturbaciones de la calidad de la energía pueden analizarse automáticamente e incluso compararse con los valores estándar.
Esta tesis presenta un dispositivo de bajo costo capaz de analizar los parámetros de calidad de la energía, subirlos a una plataforma de IoT en la Nube y mostrar dicha información a través de AR. Esta es la novedad de la tesis: la capacidad de medir y enviar datos agregados de PQ al sistema de IoT en la Nube, así como procesar los datos, comprobar el cumplimiento de la norma y mostrar la información al usuario a través de AR. Un punto importante aquí es que esta información es accesible por cualquier dispositivo que tenga una conexión a Internet y la aplicación de AR instalada. Un teléfono móvil puede acceder a todos los datos a través de nuestra aplicación de AR. Las caídas de tensión se controlan mediante la amplitud y la duración, además de clasificarse según la curva SEMI F-47. Esto resulta adecuado para la submedición de instalaciones industriales o comerciales, ya que los datos del sensor PQ pueden ser una indicación del rendimiento del equipo en cuanto a la eficiencia y el cumplimiento de las normas de PQ.
La AR es una tecnología que está cada vez más presente en muchas áreas de nuestra vida. Nos ayuda a crear una interfaz más natural entre los humanos y el mundo físico, minimizando la cantidad de dispositivos hardware que debemos llevar con nosotros.
En esta tesis se ha presentado un sistema de monitoreo de energía basado en AR para visualizar en tiempo real los parámetros de calidad de energía y el consumo de energía de los electrodomésticos de una manera fácil; tan fácil, que los usuarios finales solo tienen que enfocar directamente con sus teléfonos inteligentes al electrodoméstico que les interesa para conocer su comportamiento energético.
Desde un punto de vista arquitectónico, el sistema presenta un dispositivo de energía IoT desarrollado para obtener la información energética de los electrodomésticos, luego, esta información se carga en la Nube (plataforma IoT) y, finalmente, la integración de esta información con la aplicación de AR cuando el marco capturado por la cámara del teléfono inteligente coincide con una imagen objetivo previamente almacenada.
Las pruebas realizadas muestran que el sistema detecta fácilmente las imágenes objetivo, tanto en un entorno real como impreso y, lo más importante, el tiempo de respuesta para detectar y superponer la información de energía en el cuadro capturado es insignificante. Además, se entregaron dos cuestionarios al personal de mantenimiento para evaluar el impacto del sistema en sus hábitos y su percepción de usabilidad. Los resultados de ambos cuestionarios muestran un impacto positivo en ambas perspectivas.
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