SISTEMA DE SEGURIDAD Y GESTIÓN PARA GAS DOMICILIARIO

SISTEMA DE SEGURIDAD Y GESTIÓN PARA GAS DOMICILIARIO

Proyecto de fin de carrera para obtener el título de: Ingeniera Electrónica

Por:

Natalia Quintero Arcila

Sustentado el 11/06/2020 al jurado: - Asesor: Michael Bressan

- Jurado: Jose Fernando Jimenez Vargas

Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Agradecimientos

El presente proyecto fue asesorado por Michael

Bressan a quien agradezco por su constante

disposición, aportes y colaboración a lo largo del

proyecto y por su confianza en mí y en el trabajo

realizado.

A mi familia por su apoyo incondicional a lo largo de

mi carrera y de este proyecto en todos los aspectos

y su constante motivación por realizar el mejor

trabajo posible.

Tabla de contenido

1 Introducción .......................................................................................................................... 1

2 Objetivos ................................................................................................................................. 1

2.1 Objetivo General ................................................................................................. 1

2.2 Objetivos Específicos .......................................................................................... 1

2.3 Alcance y productos finales ............................................................................... 2

3 Descripción de la problemática y justificación del proyecto ............................... 2

4 Marco Teórico, Conceptual e Histórico ........................................................................ 3

4.1 Marco Teórico ..................................................................................................... 4

4.1.1 Caracterización del gas natural...................................................................... 4

4.1.2 Cadena de valor del suministro de gas .......................................................... 5

4.1.3 Introducción a los sistemas IoT ..................................................................... 6

4.2 Marco Conceptual ............................................................................................... 7

4.2.1 Conceptos clave ............................................................................................... 7

4.2.2 Normatividad para los sistemas de suministro de gas ................................ 7

4.2.3 Marco institucional para el proceso y las entidades involucradas ............. 8

4.3 Marco Histórico .................................................................................................. 8

4.3.1 Sistemas existentes en el mercado ................................................................ 8

5 Definición y especificaciones del proyecto ................................................................. 9

5.1 Definición ............................................................................................................ 9

5.2 Especificaciones .................................................................................................. 9

6 Metodología de trabajo ................................................................................................... 11

6.1 Plan de trabajo .................................................................................................. 11

7 Identificación de la problemática y caracterización del proceso .................... 12

7.1 Propuesta de valor ............................................................................................ 12

8 Arquitectura de la solución ........................................................................................... 13

8.1 Alternativas de Desarrollo ............................................................................... 13

8.1.1 Medición ........................................................................................................ 13

8.1.2 Comunicación ................................................................................................ 13

8.1.3 Adquisición y procesamiento ....................................................................... 14

8.2 Arquitectura de Control y Automatización .................................................... 15

8.3 Arquitectura General ........................................................................................ 16

9 Selección de los elementos y estructuración del sistema .................................. 18

9.1 Estructuración del Sistema de Medición ........................................................ 18

9.2 Estructuración del Sistema de Adquisición y Procesamiento ...................... 19

9.3 Estructuración del Sistema de Telecomunicación ......................................... 20

10 Caracterización de los elementos tecnológicos ..................................................... 21

10.1 Sistema de Medición ......................................................................................... 21

10.1.1 Concentración de gas ................................................................................ 21

10.1.2 Temperatura .............................................................................................. 22

10.1.3 Flujo ............................................................................................................ 23

10.1.4 Válvula ........................................................................................................ 23

10.2 Sistema de Adquisición y procesamiento ....................................................... 23

10.2.1 Sistema de Seguridad ................................................................................ 24

10.3 Sistema de Telecomunicación ......................................................................... 24

10.4 Optimización del consumo energético ............................................................ 24

11 Desarrollo del prototipo ................................................................................................ 25

11.1 Lógica del sistema ............................................................................................. 25

11.2 Esquemático del prototipo ............................................................................... 25

11.3 Desarrollo de los despliegues y modelos ........................................................ 26

11.4 Simulación ......................................................................................................... 26

12 Documentación de los resultados y diseño de las pruebas ............................... 27

12.1 Metodología de Prueba .................................................................................... 27

12.2 Validación de las pruebas ................................................................................ 29

13 Conclusiones y Discusión ............................................................................................... 29

13.1 Conclusiones ..................................................................................................... 29

13.2 Discusión ........................................................................................................... 30

14 Referencias ......................................................................................................................... 30

Lista de Figuras

Ilustración 1. Cuadro de riesgos para gas natural. ........................................................... 5

Ilustración 2. Diagrama de cadena de valor del Gas Natural en Colombia. .................... 6

Ilustración 3. Arquitectura de sistema IoT. ....................................................................... 7

Ilustración 4. Pirámide de automatización para el sistema. .......................................... 16

Ilustración 5. Arquitectura de la solución. ...................................................................... 17

Ilustración 6. Estructura de la comunicación bidireccional. ......................................... 20

Ilustración 7. Curva de calibración del MQ4 y su regresión exponencial. .................... 21

Ilustración 8. Circuito simplificado del sensor MQ4. ..................................................... 22

Ilustración 9. Diagrama de flujo para la variable de flujo. ............................................. 51

Ilustración 10. Diagrama de flujo para las variables de concentración y temperatura.

.............................................................................................................................................. 52

Ilustración 11. Esquemático actual de la solución. ........................................................ 25

Ilustración 12. Esquemático de la simulación en TinkerCad. ........................................ 53

Ilustración 13. Diagrama para la metodología de pruebas. ........................................... 28

Ilustración 14. Página principal del aplicativo. .............................................................. 32

Ilustración 15. Página principal de consulta del aplicativo. .......................................... 32

Ilustración 16. Reporte y gráficas de consumo en el aplicativo. ................................... 33

Ilustración 17. Página del estado del sistema en el aplicativo. ..................................... 33

Ilustración 18. Página de Gestión de Alarmas y comandos del aplicativo. .................. 34

Ilustración 19. Aviso de comando de cierre en el suministro. ...................................... 34

Lista de Tablas

Tabla 1. Alcance y productos finales. ................................................................................. 2

Tabla 2. Características fisicoquímicas del gas natural [3]. ............................................. 4

Tabla 3. Alternativas en el mercado [9], [10]. ................................................................... 9

Tabla 4. Especificaciones y nivel de satisfacción del proyecto y sus resultados. ......... 10

Tabla 5. Comparativo de alternativas IoT [14]. ............................................................... 14

Tabla 6. Alternativas de tarjetas y microcontroladores. ................................................ 15

Tabla 7. Instrumentación del sistema de medición. ....................................................... 19

Tabla 8. Instrumentación del sistema de comunicación................................................. 21

Tabla 9. Tabla sistema de seguridad-. .............................................................................. 24

Tabla 10. Condiciones de simulación TinkerCad. ........................................................... 26

Tabla 11. Indicadores de validación del prototipo. ........................................................ 29

Sistema de Seguridad y Gestión para Gas Domiciliario

1

1 Introducción El gas natural es una fuente primaria para el suministro de energía en muchos hogares en Colombia y permite el funcionamiento de diferentes gasodomésticos como la estufa o calentador, entre otros. Este es un servicio público que en Colombia se encuentre regulado por la CREG, dentro de un marco regulatorio y normativo por el que deben regirse las empresas distribuidoras de gas, quienes aseguran el servicio al usuario final. El aseguramiento de este se hace por medio de su infraestructura regida bajo este marco y el control sobre el consumo se realiza por medio de medidores con los que se corrobora el consumo por el que se cobra al usuario. El uso de este recurso como suministro energético, aunque se acopla con diferentes electrodomésticos y por tanto es de gran utilidad, existen también riesgos en su utilización, dado que el gas natural es un gas inflamable y toxico y una fuga no controlada puede generar problemas a la salud cuando entra en contacto con las personas por medio inhalación o puede generar una ignición al entrar en contacto con ciertos artefactos. Es por esto que es de gran utilidad disponer de un sistema de medición y control autónomo que permita tomar acciones correctivas o preventivas ante fugas. A lo largo de este documento, se expone el desarrollo y diseño de una solución que cumpla con las condiciones necesarias para el control y automatización ante emergencias en el servicio, que tome estas acciones correctivas y además permita obtener información sobre el sistema, todo de forma remota y por medio de tecnología IoT. Esta solución no solo permite una gestión de forma local de las emergencias, sino que también permite la gestión del usuario, dándole información que sea relevante para tomar decisiones sobre su servicio. Actualmente en la industria existen medidores de concentración de gas natural (metano) y válvulas de control que se utilizan en un ambiente domiciliario, sin embargo, lo que se busca con este proyecto es desarrollar una solución tecnológica, que integre el sistema de medición de gas natural y las válvulas de control con el desarrollo de módulos operativos y de control para dar la solución requerida con una operación segura y una gestión eficiente del servicio.

2 Objetivos

2.1 Objetivo General

Desarrollar una solución tecnológica para la captura y gestión de información de consumos de gas natural domiciliario y un sistema de control ante eventos de fuga de producto.

2.2 Objetivos Específicos

▪ Diseñar una arquitectura funcional de la solución ▪ Diseñar la solución de adquisición de la información de forma periódica de los

consumos de gas natural en hogares. ▪ Estructurar un sistema de medición y telecomunicación que permita obtener y

enviar las variables del sistema. ▪ Diseñar una estrategia de control como acción preventiva y/o correctiva ante fugas

de gas.


2

▪ Diseñar los módulos operativos de la solución. ▪ Estructurar una solución IoT para un acceso remoto de un usuario a la solución

desarrollada que le permita consultar información y realizar acciones de control.

2.3 Alcance y productos finales

Los principales elementos expuestos en el alcance del proyecto han sido modificados, ya que la implementación del prototipo de la solución diseñada se ha dejado fuera de este, dadas las condiciones de salud pública del país. Tanto el alcance como los objetivos han sido ajustados al desarrollo de una ingeniería conceptual, en donde se contempla la estructuración y diseño. A continuación, se muestra el alcance de la propuesta inicial y el producto final con las modificaciones correspondientes:

Propuesta Inicial Producto Final Indagación y selección de los dispositivos y métodos de medición para concentración de gas metano, temperatura y flujo.

Se realiza la indagación y selección de los dispositivos de medición de las diferentes variables.

Diseñar e implementar un sistema de recolección y procesamiento de datos

Se realiza el diseño del sistema y se desarrolla el código de Arduino requerido para su funcionamiento en simulación.

Diseñar e implementar un sistema de comunicación con una interfaz del usuario que le de información de los niveles de gas en el hogar al encontrar niveles anormales o recibir un comando.

Se realiza el diseño del sistema de comunicación con el dispositivo de conectividad con SigFox más no se hace la implementación. Además, se estructura el funcionamiento del sistema de adquisición y procesamiento y sistema de telecomunicaciones.

Diseñar e implementar un sistema que permita un cierre automático de las válvulas de gas.

Se realiza el diseño del sistema más no la implementación.

Diseño integral de los sistemas de procesamiento, comunicación de datos y aplicativos del usuario

Se realizó el diseño de la integración de los diferentes sistemas de forma estructurada en una sola arquitectura.

Diseñar la arquitectura de control remoto para el sistema de válvulas y medición de gas.

Se realizo el diseño de la arquitectura de control y automatización.

Tabla 1. Alcance y productos finales.

3 Descripción de la problemática y justificación del proyecto

En Colombia más de nueve millones de hogares consumen gas natural como fuente de energía para sus gasodomésticos como estufas, calentadores de agua, secadoras de ropa, etc. El volumen del consumo diario es aproximadamente 1.067 MPCD y este combustible llega a cada uno de los hogares por un sistema de transporte y distribución por tuberías, que es controlado en cada hogar por medio de válvulas de operación manual y un sistema de medición que registra localmente los volúmenes consumidos. El gas natural domiciliario está compuesto principalmente por metano, con una concentración superior al 95% y en menores concentraciones gases como etano, propano, butano y nitrógeno.


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En el contexto de riesgos en el servicio domiciliario, las fugas de gas natural es una de las principales problemáticas, porque puede generar incendios y afectación a las personas por inhalación. Según el SIVIGILA durante el año 2019 se reportaron 168 incidentes en el país y es por esta razón que es de gran interés conocer los niveles de gas metano en la atmosfera y así tomar acciones de control para evitar accidentes con consecuencias muy graves. Actualmente, el tratamiento de las emergencias por fugas (intoxicaciones o incendios) se puede realizar por medio de una línea de emergencias de las empresas distribuidoras [1] y por medio de este se solicita el servicio, sin embargo, no existe una medida inmediata ante este tipo de eventualidades. Por este tipo de emergencias es que se requiere de desarrollos en la ingeniería, específicamente tecnológicos, como herramienta para solventar dichas problemáticas no solo para el tratamiento local de las emergencias sino como un sistema integral que centralice para el usuario la información necesaria de su sistema. Actualmente, existen tecnologías como IoT – Internet Of Things que interconectan dispositivos con sensores o actuadores a través de una red, para el intercambio de datos con diferentes plataformas desde donde se puede enviar y recibir información. Estas redes pueden utilizar diferentes tipos de transmisión dependiendo del tipo de comunicación y la tecnología. La red de SigFox por ejemplo, utiliza una transmisión UNB (Ultra narrow band) y funciona por medio de estaciones receptoras y transmisores para el envío de datos a una red, por medio de un protocolo e interfaz de comunicación especifica. Estas alternativas tecnológicas permiten tener una red de dispositivos con información específica que se puede centralizar e integrar que da un valor agregado por medio de análisis o gestión de la información. Identificando esta problemática en cuanto a las fugas de gas y conociendo las alternativas tecnológicas, se plantea el diseño de un sistema automático por medio del cual se puedan detectar fugas de gas y tomar acciones de forma local e inmediata y además se pueda monitorear el funcionamiento del sistema. Este sistema se plantea como un sistema de control y automatización basándose en la arquitectura de un sistema IoT, de modo que pueda cumplir con las funcionalidades de comunicación remota y bidireccional entre un dispositivo donde se realizan mediciones y acciones de control y un usuario final que, por medio de un aplicativo, pueda tener acceso a la información y además pueda gestionar.

4 Marco Teórico, Conceptual e Histórico Para el desarrollo del proyecto se tuvieron en cuenta diferentes áreas de la electrónica estudiadas a lo largo de la carrera, como son la instrumentación, para la comprensión y definición de los elementos de medición y la selección de los dispositivos electrónicos, las telecomunicaciones para la selección del sistema de comunicación a implementar y conceptos de control y automatización para el diseño general del sistema, de manera que pudiera cumplir con los objetivos general y específicos establecidos para el proyecto. Por otro lado, ya que se trata de un sistema relacionado con un servicio público, se realiza una indagación sobre el funcionamiento general del servicio para el suministro y una caracterización del producto (gas natural), en el contexto colombiano, tomando como referencia las entidades y empresas encargadas. Adicionalmente, se realiza una indagación sobre los elementos de medición, las tecnologías de comunicación y dispositivos que permitieran realizar la medición y envío de datos.


4

4.1 Marco Teórico

El contexto en el que se desarrolla el proyecto es el de suministro de gas natural domiciliario en Colombia, que desde 1994 es decretado en el país como un servicio público [2]. Este es un servicio prestado por las empresas distribuidoras en el país y con respecto al gas natural existen elementos importantes como son su composición química y los riesgos asociados al contacto de personas o artefactos con este gas cuando hay una fuga de gas en el hogar. Adicionalmente, en el proceso de control y facturación del suministro realizado por las empresas distribuidoras de gas natural, como un servicio público regulado existen un grupo de normas técnicas y regulatorias que deben cumplir y que hacen parte del marco en el que se desarrolla este. Por otro lado, el proyecto también se desarrolla en el contexto de los elementos de medición, adquisición de datos y las tecnologías IoT para la conectividad del sistema y la estructuración de la solución tecnología.

4.1.1 Caracterización del gas natural

El gas natural es una mezcla de gases de gran poder calorífico que proviene de la tierra. Su principal componente es el metano y este puede ser medido en unidades de volumen como metros cúbicos m3 o pies cúbicos ft3 o en unidades de energía como kilovatios hora Kwh o unidades caloríficas BTU. [2] Este es un gas incoloro e inoloro en su forma más pura, por lo que es muy difícil de identificar si no se pasa por un proceso de odorización o no se cuenta con algún sistema de medición especifico que pueda identificar los componentes químicos de este. La composición del gas natural es mayormente gas metano en un 95% y de otros gases como butano, propano, etano y nitrógeno, por lo que el gas metano es el que principalmente caracteriza el gas natural. A una presión de 1 atm los componentes del gas tienen las siguientes características fisicoquímicas:

Componente Densidad (kg/m3)

Punto de ebullición

Punto de fusión

Peso molecula

r

Solubilidad en agua

Presión de

vapor

Metano 0.671 -161.49°C -182.48°C 16.043 No aplica No

aplica

Nitrógeno 1.1605 -195.8°C -209.8°C 28.0134 0.023 No

aplica Etano 1.2799 -88.63°C -183.2°C 30.068 0.047 544

Butano 2.51 -0.5°C -138.4°C 58.124 No aplica 38.2 Propano 1.8580 -42.04°C -187.69°C 44.097 0.065 109.73

Dióxido de carbono

1.977 No Aplica No aplica 44.01 0.90 838

Neopentano 3.93 9.5°C -16.6°C 72 No aplica 21.75 n-hexno 0.66 68°C -95°C 86.18 0.47 2.51

Tabla 2. Características fisicoquímicas del gas natural [3].

Por otro lado, las características de seguridad para el gas natural se determinan según el nivel de concentración del gas al que se encuentre expuesta una persona al inhalarlo o al estar en contacto con artefactos que genere una ignición. Dado que el gas natural está compuesto de diferentes gases, es la identificación de estos en conjunto y en contacto con el aire los que deben ser medidos y detectados para identificar un nivel de riesgo. Una de las características de este


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gas es que es más liviano que el aire por lo que en caso de encontrarse un escape de este, el gas tiende a ir a las partes superiores desplazando el aire hacia abajo. Los medidores de este tipo de gas son normalmente caracterizados con la medición de gas metano, ya que es el que se encuentra en mayor. Por inhalación la concentración del gas natural no debe superar el 5% y la concentración de oxígeno debe superar el 19,5%. Por otro lado, para el riesgo de inflamabilidad la concentración de 5,3-15% [3]. En la siguiente imagen se muestran los niveles de concentración para los dos tipos de riesgo.

Ilustración 1. Cuadro de riesgos para gas natural.

Por lo tanto, si queremos mejorar la seguridad en los hogares se deben tomar acciones que eviten que la concentración de gas natural (metano) lleguen al nivel del 5%.

4.1.2 Cadena de valor del suministro de gas

El suministro de gas natural en Colombia es un servicio público, por lo cual debe regirse bajo normatividades técnicas, regulaciones y legislaciones que le permitan su funcionamiento en el país. La cadena de valor de este suministro se puede dividir principalmente en 3 etapas:

- Producción: Esta etapa consiste en la extracción desde los yacimientos del gas natural y

todo el procesamiento del gas y su odorización para ser apto para el uso. El gas extraído

es llevado a las “City Gates” en donde es procesado y se realizan cambios d presión

necesarios para poder ser transportado a los usuarios.

- Transporte: Esta etapa consiste en el paso del gas previamente al sistema de gasoductos

de redes primarias y secundarias para que sea transportado y entregado en los

principales centros de distribución pasando antes por los centros de regulación.

- Distribución y comercialización: En esta etapa se hace la distribución del gas para los

usuarios finales, que pueden ser residenciales, comerciales o industriales. Además de

esto se realiza la facturación del servicio para los usuarios y el respectivo cobro.


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Ilustración 2. Diagrama de cadena de valor del Gas Natural en Colombia.

Por otro lado, para el transporte de gas se hace uso de infraestructuras como los gasoductos que pueden tener diferentes características según la parte de la cadena de valor en la que se encuentran. En general, existen dos tipos de redes, una primaria y una secundaria: o Red primaria de distribución: Esta red conecta las “city gates” con los centros de

regulación y por medio de las cuales se realiza el transporte de gas a puntos de consumo

específicos.

o Red secundaria de distribución: Esta red se deriva de la red primaria y conecta los

centros de regulación con los usuarios finales como son los de tipo comercial,

domiciliario o industrial.

Por otro lado, el sistema de distribución de gas natural en cada hogar, está conformado por la tubería de suministro, una válvula manual de cierre del suministro de gas y de un medidor de flujo que registra los consumos de cada hogar y hacia el interior del hogar las tuberías de distribución interna a cada electrodoméstico.

4.1.3 Introducción a los sistemas IoT

Las tecnologías de la comunicación han estado en un constante y rápido avance, permitiendo

así que en cuestión de unos cuantos años aparezcan nuevas tecnologías, con mejoras en

cuestiones como cobertura, alcance, calidad, medios entre otros. El avance en este sector de las

telecomunicaciones ha dado lugar al desarrollo de sistemas como el internet de las cosas (IoT),

cuyas siglas significan Internet of Things, una red de objetos físicos, más conocidos como

dispositivos IoT que intercambian información con otros dispositivos y con una plataforma

central de forma bidireccional. Estos dispositivos son de aplicaciones tanto domésticas como

industriales y se estima que para el 2020 existan 10.000 millones de dispositivos

interconectados y 22.000 millones en 2025 [4].


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Existen diferentes alternativas para la conectividad en IoT, tanto en protocolos como en plataformas y redes (LoRa, SigFox, NB-IoT) que se seleccionan dependiendo de las condiciones en los que serán implementados los sistemas y las funcionalidades que se requieran. Uno de los principales objetivos de estos sistemas es la capacidad de controlar el funcionamiento de los dispositivos, una automatización de las tareas que estos realizan y un acceso remoto por parte del usuario a los dispositivos de su hogar. Este tipo de soluciones no van solamente direccionadas a facilitar las tareas diarias de los usuarios sino también va muy encaminada a la seguridad del hogar partiendo del aseguramiento de los dispositivos. De forma general, los sistemas IoT funcionan por medio de la arquitectura que se muestra en la siguiente ilustración, donde se encuentran los dispositivos IoT, que tienen una comunicación bidireccional por medio de la cual puede enviar y recibir mensajes, estos se comunican con una puerta de enlace IoT que permite la conexión con la nube para el almacenamiento y comunicación con otras aplicaciones o plataformas del usuario final.

Ilustración 3. Arquitectura de sistema IoT.

4.2 Marco Conceptual

4.2.1 Conceptos clave

- Gasodomésticos: Corresponde a los electrodomésticos que funcionan con gas natural.

[5]

- Vanti: Es la empresa prestadora de servicio de distribución y comercialización de gas

natural en gran parte del territorio colombiano. [6]

- IoT: Es una red de objetos físicos que llevan sensores integrados, software y otras

tecnologías con el fin de conectar e intercambiar datos con otros dispositivos y sistemas

a través de internet [4].

- Red de comunicación: Corresponde a la infraestructura compuesta por los elementos

de comunicación necesarios para que se dé el flujo de diferentes tipos de información.

4.2.2 Normatividad para los sistemas de suministro de gas

El marco legal para la prestación de servicios públicos de gas natural se define dentro de la Ley 142 de 1994, donde se creó la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG). Índice Normativo: Para toda la cadena de valor del gas natural se tienen normas constitucionales, leyes, decretos, resoluciones, documentos CONPES, circulares y conceptos que rigen los procesos y entidades que hacen parte de esta cadena de valor, este índice se encuentra publicado por la empresa Vanti Gas Natural para conocimiento del público [7].


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Normatividad Técnica: La cadena de valor completa para gas natural está reglamentada por diferentes entes y diferentes tipos de normatividad, en específico para la estructura de suministro de gas el ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación) establece en su norma NTC2505 todas las especificaciones de las instalaciones para suministro de gas combustible destinadas a usos residenciales y comerciales. Dentro de esta norma también se especifican las normas NTC (Norma Técnica Colombiana) que deben cumplir los instrumentos que componen estas instalaciones como son por ejemplo válvulas, tubos, uniones y demás, para que cumplan con las especificaciones técnicas de esta norma.

4.2.3 Marco institucional para el proceso y las entidades involucradas

El sector de Gas Natural se estructura de la siguiente manera: ✓ Política Energética: El encargado del diseño de políticas del sector es el Ministerio de

Minas y Energía por parte del Gobierno. En cuanto al servicio prestado de suministro

de gas Natural, está encargado el Ministerio de Comercio, Industria y Turismo.

✓ Regulación: Esta es tarea de la Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG) que

busca que estos servicios lleguen al mayor número de personas a un precio que les

permita a las empresas garantizar calidad, cobertura y expansión y servir de soporte

para usuarios y empresas.

✓ Mercado: Este mercado se compone de los usuarios, que se dividen según su consumo,

si son de tipo residencial, comercial o pequeñas industrias y las grandes industrias. Por

otro lado, se encuentran todas las entidades que hacen presencia a lo largo de la cadena de valor, como son productores, transportadores, distribuidores y comercializadores.

✓ Entes de supervisión y control: En este sector, es la Superintendencia de Servicios

Públicos Domiciliarios (SSPD) que realizan todas labores de vigilancia de las entidades

y las respectivas sanciones en caso de incumplimiento del régimen jurídico bajo el que

está este sector.

[8]

4.3 Marco Histórico

En Colombia el sistema de suministro de gas natural ha tenido mejoras en las condiciones del servicio y en los sistemas de medición volumétrica; pero no se ha implementado una solución tecnológica que permita de forma remota controlar el suministro. En cuanto a la industria de la detección de fugas de gas, han sido desarrollados y se encuentran disponibles en el mercado algunos dispositivos con las funciones de detección y tratamiento de fugas. En algunas empresas e industria se integran al sistema de contra incendio y emergencia de las plantas, pero a nivel de hogares, no hay una solución que integra esta medición de concentración con un sistema que tome acciones de control y evite que se materialicen accidentes. En el mercado actualmente se pueden ver, como productos desarrollados, algunas alternativas para la detección de fugas de gas, como las que se encuentre en el siguiente cuadro.

4.3.1 Sistemas existentes en el mercado

Ventajas Desventajas


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Detectoff (detect and shutoff)

•Para la comunicación local hace uso de ZigBee que tiene un alcance limitado pero que es suficiente para un uso dentro del hogar donde se encuentran los dispositivos. •Tiene la posibilidad de consulta y accionamiento sobre el sistema de suministro de gas en el hogar. •El tipo de comunicación utilizada brinda seguridad en comparación a otras alternativas en cuanto a seguridad en la conexión. •No necesita mantenimiento • Hace uso de baterías de hasta 2 años de batería.

Al no hacer uso de Wi-Fi no permite la comunicación remota o a largas distancias del usuario con el sistema.

Popp Flow Stop

•Permite un cierre automático de la válvula sin ningún tipo de consulta lo que en un caso de emergencia permite evitar el riesgo sin importar que no se haga una autorización y esto por tanto evita accidentes. Al cerrar la válvula permite una acción directa sobre el origen del riesgo. •Permite una comunicación segura entre los dispositivos ya que hace uso de Z-Wave para comunicación entre los dispositivos.

• No cuenta con un sistema de comunicación que le permita al usuario la consulta y control de forma remota.

• Tampoco cuenta con algún tipo de visualización donde se pueda conocer algún tipo de variable.

Tabla 3. Alternativas en el mercado [9], [10].

5 Definición y especificaciones del proyecto

5.1 Definición

Este proyecto consiste en el desarrollo de una solución que permita la toma de acciones de control ante una fuga de gas natural en el hogar, además de capturar y transmitir la información volumétrica para la gestión del usuario e información sobre el estado del sistema. Este sistema se diseña para la etapa del suministro a la que el usuario tiene acceso, de modo que pueda activar o desactivar el suministro como lo haría normalmente desde la válvula de cierre de gas en su hogar.

5.2 Especificaciones

Este trabajo está enfocado en el diseño y desarrollo de una solución tecnológica para la seguridad; asimismo, que capture y transmita remotamente los volúmenes consumidos en el hogar para la generación de los reportes volumétricos que permitan conocer los patrones de consumo, y otras variables como concentración de metano y temperatura. Como parte del diseño, no solo se hace la estructuración del sistema, sino que también se diseña un prototipo


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por medio del cual se pueda implementar el sistema y validar las funcionalidades desarrollados en esta etapa de diseño. La solución integra un grupo de funcionalidades que se desarrollan a partir de las variables medidas en el proceso; tales como concentración de metano en la atmosfera, temperatura y los volúmenes consumidos por cada hogar. En el siguiente cuadro se enlistan las funciones que se requieren de manera general en el sistema y el nivel de satisfacción para cada una de ellas en el proceso de diseño a lo largo de este proyecto.

Funciones Nivel de satisfacción Medición de variables relevantes para la detección de fugas de gas y caracterización del consumo

Medición de las variables

Comunicación bidireccional remota entre el dispositivo local y la plataforma del usuario final

Comunicación segura y estable

Sistema y plataforma para la conectividad, transmisión y recepción remota de los datos del sistema local

Constante conectividad con el sistema local

Automatización de las válvulas de suministro de gas Constante

funcionamiento del sistema de emergencia

Automatización en el envío de información sobre el sistema Comunicación segura,

confiable y periódica de las variables

Medición continua en el sistema Medición confiable y

permanente

Consulta del consumo y del estado del sistema de suministro de gas en el hogar

Sistema sincronizado para la recepción de

datos

Envío de comando de suspensión del suministro por medio de la válvula

Solicitud periódica del comando desde el

dispositivo Tabla 4. Especificaciones y nivel de satisfacción del proyecto y sus resultados.

Las restricciones que se determinan para el diseño son:

▪ La comunicación no es constante ni en tiempo real con el sistema de medición, son

mensajes programados en el dispositivo local.

▪ Los dispositivos seleccionados para el prototipo se escogen bajo el criterio de bajo

costo, simplicidad para la adquisición e implementación y sus características técnicas

acorde con las especificaciones del sistema.

▪ Las mediciones de gas natural en un hogar pueden verse afectadas por variables

externas que se tengan en este entorno.

▪ El funcionamiento integral del sistema está activo solo en los momentos programados

o ante alguna eventualidad que accione el sistema de emergencia ante fugas.

▪ El consumo será medido en unidades de flujo volumétrico (m 3) y el estado del sistema

será evaluado por la temperatura en grados centígrados y la concentración en ppm (o

porcentaje)


11

6 Metodología de trabajo

Como etapa inicial del proyecto se realiza una indagación sobre el servicio de gas natural en el país y como es el uso de este en los hogares, haciendo énfasis en las problemáticas que son latentes y los elementos que pudieran poner en riesgo los hogares y quienes los habitan, para así direccionar una posible solución. Con esta información se establece un objetivo macro, el diseño de un sistema autónomo y con acceso remoto, por medio del cual se pudiera ofrecer un servicio para el tratamiento de emergencias por fugas en el suministro de gas natural domiciliario. Posteriormente, al definir las necesidades y la funcionalidad que debería tener el sistema, se indaga sobre sistemas similares existentes como productos en el mercado o proyectos; con el fin de evidenciar que diferenciación o mejoras puede haber en lo que ya existe hoy. A partir de esto, se decide agregar como parte de la solución la gestión, que corresponde a poder brindar al usuario información sobre el consumo y el estado de su sistema y que a partir de allí pueda tomar las decisiones que le correspondan y que además pueda de forma remota hacer el cierre del suministro si así lo requiere. Teniendo claro el funcionamiento general del sistema al que se quería llegar, se realiza una propuesta de valor que pueda brindar un beneficio a los hogares en términos de seguridad y gestión. A partir de esto, se procede en primer lugar, al diseño de una solución integral que permitiera cumplir con los objetivos general y específicos establecidos para el proyecto. Posteriormente para el desarrollo de un prototipo, se desarrolla una etapa de diseño, selección de instrumentación y caracterización, diseño de todos los sistemas que hacen parte de la solución integral.

6.1 Plan de trabajo

Como parte de las actividades periódicas para el desarrollo del proyecto, se programaron reuniones semanales con el asesor, en donde por parte del estudiante, se presentaron los avances hechos con relación a las actividades necesarias para el desarrollo del proyecto. En cada sesión semanal el asesor realizó todas las observaciones, correcciones y proposiciones que considerará pertinentes y los informes y documentos fueron presentados al asesor de acuerdo al plan de trabajo establecido.

Como actividades específicas a lo largo del proyecto, se definen las siguientes etapas:

➢ ETAPA 1 - Identificación de la problemática y caracterización del proceso: Se procede a

realizar las respectivas indagaciones del sistema de suministro de gas, las especificaciones

técnicas, el funcionamiento del mercado, la cadena de valor, el sistema de distribución, el

marco regulatorio, normatividad técnica y la caracterización del gas natural para el estado

del arte para el proyecto. Adicionalmente se identifican las necesidades del servicio y se

desarrolla la propuesta de valor.

ETAPA 2- Arquitectura de la solución: En esta etapa se estudian las diferentes alternativas de desarrollo, se procede a hacer la arquitectura que se plantea para la solución, que estructura los diferentes elementos y sistemas que la componen. Además de estos se definen las funciones generales de los sistemas y las variables de proceso.

➢ ETAPA 3- Selección de los elementos y estructuración del sistema: En esta etapa se

procede a diseñar el sistema de medición y sus funcionalidades, y a partir de esto se


12

selecciona la instrumentación que será necesaria, se diseña el sistema de comunicación y

su instrumentación y el sistema de adquisición y procesamiento y selección de la

instrumentación respectiva.

➢ ETAPA 4- Caracterización de los elementos tecnológicos: Se realiza la caracterización de

los elementos seleccionados para la solución y diseño de la lógica general del sistema.

➢ ETAPA 5- Desarrollo del prototipo: Se realiza los diseños del prototipo para la medición,

adquisición y procesamiento, comunicación y visualización del usuario.

➢ ETAPA 6- Documentación de los resultados y diseño de las pruebas: Se realiza la

documentación de los resultados y se diseña el procedimiento para la prueba y validación

del prototipo.

7 Identificación de la problemática y caracterización del proceso

Para esta etapa se realiza la indagación sobre los procesos de gas natural, tanto la cadena de valor como el proceso de suministro, la normatividad, regulación y especificaciones técnicas. Se realiza una caracterización del gas natural y de todo lo que involucra su proceso de suministro, que se resume en el marco teórico y conceptual de este documento. A partir de esto y de la identificación de los riesgos se definen las necesidades que se quieren atacar en el proyecto lo cual se encuentra en la sección de ‘Descripción de la problemática y justificación del trabajo’. Estas necesidades identificadas en cuanto al dueño o habitante del domicilio son:

• Seguridad de la integridad de su hogar y sus artefactos ante fugas de gas no detectadas

y no controladas de gas natural.

• Seguridad de los integrantes del hogar como familia o mascotas

• Información sobre su consumo durante el mes para la optimización y regulación de su

uso.

• Operación de cierre y/o apertura remota de la válvula de suministro.

7.1 Propuesta de valor

Se realiza su diseño partiendo de las necesidades identificadas, para tomarla como base para el resto del diseño del sistema. Esta propuesta de valor se divide en ofrecer gestión y seguridad al usuario final, el dueño del domicilio donde se presta el servicio: ❖ Gestión:

▪ Medición de flujo para el consumo de gas

▪ Control operacional remoto para la operación de cierre y apertura de la válvula de

suministro

▪ Reportes del estado del sistema con las variables de proceso

❖ Seguridad:

▪ Detección de concentraciones de gas natural (Metano) en el aire.

▪ Generación de alarmas

▪ Cierre automático de válvulas de suministro de gas


13

Propuesta de valor: Sistema automático para detección y control de fugas de gas domiciliario y gestión sobre el consumo de forma remota.

8 Arquitectura de la solución Los principales elementos que debe tener la solución incluyen la medición, adquisición y procesamiento y la comunicación.

8.1 Alternativas de Desarrollo

Para el desarrollo del sistema en su totalidad se debe realizar el diseño y selección de cada uno de los sistemas que lo componen, por lo que en el proceso de investigación para el diseño fue necesario indagar sobre diferentes alternativas.

8.1.1 Medición

En cuanto a las mediciones de flujo se contemplaron diferentes opciones, para la medición de gas natural en la industria existen varios tipos de medidores, los de desplazamiento positivo, los de turbinas, las platinas de oricio, los medidores ultrasónicos entre otros; pero para el caso de gas natural domiciliario los medidores utilizados en Colombia son los medidores de desplazamiento positivo tipo diafragma. Hoy en día, existen más de 9 millones de usuarios de gas natural de tipo residencial conectados en todo el país, los cuales tienen medidores de gas tipo diafragma para medir su consumo. Principio de operación: Los medidores de desplazamiento positivo operan llenando y vaciando una o más cámaras de volumen definido, siguiendo una secuencia regular (cíclica). El gas que fluye dentro del medidor llena el espacio interior de la carcasa y pasa hacia el lado abierto donde se encuentran las válvulas deslizantes de uno de los lados de la cámara de medición, el otro lado se encuentra conectado a la salida. Las cámaras de medición se encuentran separadas por diafragmas y éstas a su vez son controladas por válvulas deslizantes. Durante la operación, la acción de una de las válvulas de la cámara provoca la acción de la válvula de la otra cámara de medición, cada una de las cámaras posee un volumen fijo definido. Por medio de acoplamientos de barras (eslabonamientos) los movimientos del diafragma son convertidos en movimientos rotativos a un cigüeñal (eje transmisor). El movimiento rotativo lo hacen unas paletas que están fabricadas con un material ferromagnético y utilizando un imán y una bobina dentro del medidor, y por medio de esto poder medir las rotaciones realizadas por las paletas al pasar por el imán. La medición física de estas rotaciones se hace por medio de la medición de pulsos generados con cada rotación. Para las mediciones de temperatura y concentración de gas, se indago sobre sensores que fueran de fácil adquisición y que pudieran implementarse adecuadamente con el microcontrolador para el diseño del prototipo. En este caso, para la concentración de gas existen en el mercado sensores de tipo catalítico que se acoplan fácilmente al microcontrolador de Arduino y que cumplen con las características del diseño. Por otro lado, para la medición de temperatura también se escoge un sensor de temperatura que se acopla fácilmente con Arduino y que logra las características especificadas en el diseño.

8.1.2 Comunicación

Se hace un comparativo de alternativas de las tecnologías para la comunicación donde se pudiera evidenciar las características con las que cuenta e identificar cual se ajusta mejor al diseño que se plantea para el sistema, optimizando el funcionamiento y los costos.


14

LoRa SigFox NB-IoT Consumo Bajo Consumo (hasta

10 años con una

batería*)

Chips consumen desde 10mA a 50mA en la transmisión, dependiendo del Chip que se use.

Las baterías puedan durar hasta 10 años, en función de la frecuencia de envío de los mensajes.

Distancia Largo alcance 10 a 20km dependiendo del tipo de área de la transmisión.

El rango de transmisión en una estación base puede llegar a ser de 50 km en áreas rurales, y 3 a 10 km en áreas urbanas.

Da cobertura hasta 15km en áreas abiertos y hasta 2km en áreas urbanos.

Precio Datos

----

Plan por un año de 140 mensajes uplink y 4 downlink 13 dolares (Este es el plan más amplio)

Plan SIM card Movistar ($3.500- $988.000 por mes dependiendo los Bytes)

Tiempo Real

Baja transferencia de

datos (hasta 255 bytes), los mensajes

no deben durar más de cinco 5 segundos

en el aire.

Sigfox admite hasta 140

mensajes de 12 bytes máximo cada uno, de

enlace ascendente por día, y hasta 4 mensajes de

enlace descendente de 8

bytes diarios (Depende del

plan de conectividad que se adquiera).

Acceso a un número potencialmente alto de dispositivos que tienen que transmitir pocas cantidades de datos (pocos bytes) de forma esporádica (ej. cada varios minutos), mayoritariamente en uplink. Las tasas binarias que ofrece son de 63 Kb/s.

Tabla 5. Comparativo de alternativas IoT [14].

Teniendo en cuenta estas comparaciones se decide por la alternativa SigFox ya que brinda un número suficiente de mensajes, permite una conectividad remota de manera fácil con SigFox Cloud y con su plataforma de Backend, con un buen precio en sus planes de conectividad. Para realizar esta comunicación se decide por un módulo SigFox que permite la conectividad con su backend y su plataforma para gestionar el intercambio de mensajes y su conexión con otras aplicaciones. En cuanto al módulo de comunicación para SigFox también se evaluaron diferentes alternativas, por un lado, está el módulo de comunicaciones seleccionado que es agregado a un microcontrolador (Breakout de TST), pero también se estudió la posibilidad un kit de desarrollo (The soul one) que cuenta con la integración en una sola tarjeta del microcontrolador y la comunicación, lo que facilita la implementación al tener en una sola tarjeta la comunicación, adquisición y procesamiento. Aunque esta era una alternativa era muy favorable, en el momento del diseño del prototipo no había disponibilidad de este, por lo que se seleccionó el módulo Breakout para la comunicación que debe ir conectado con un microcontrolador.

8.1.3 Adquisición y procesamiento

Para esta parte del sistema se evalúan distintas posibilidades de tarjetas con microcontroladores para realizar todas las acciones de adquisición y procesamiento. Las alternativas estudiadas se encuentran en el siguiente cuadro con sus principales características.

The Soul One Waspmote Arduino


15

▪ Tarjeta multipropósito de fácil integración

▪ Conectividad con SigFox

▪ Microcontrolador ATmega32u4

▪ USB - +5 Vdc ▪ Batería externa

lipo Externa 3.7 Vdc ▪ Entrada auxiliar

+3.7 Vdc - + 12 Vdc ▪ Programación con

la plataforma Arduino

▪ Precio COP aproximado: $210.575

[11]

▪ Microcontrolador: ATmega1281

▪ Frecuencia: 14.74 MHz ▪ SRAM: 8 Kb ▪ EPROM: 4Kb ▪ Flash 128 Kb ▪ SD card: 16 GB ▪ Reloj: RTC (32kHz) ▪ Consumo: On: 17 mA,

Sleep: 30 µA, Deep Sleep: 33 µA, Hibernate: 7 µA

▪ 120+ sensores para conectarse

a la tarjeta

▪ 15 interfaces para

comunicación: Largo alcance:

4G / NB-IoT / Cat-M /

LoRaWAN / LoRa / Sigfox /

868 MHz / 900 MHz

Mediano alcance: ZigBee 3 / 802.15.4 / DigiMesh / WiFi Corto Alcance: RFID-NFC / Bluetooth 2.1 / BLE Over the Air Programming (OTA), Encryption libraries (AES, RSA, MD5, SHA, Hash)

▪ Protocolos industriales: RS-

485, Modbus, CAN Bus, 4-20

mA

[12]

▪ Microcontrolador:

ATmega32U4

▪ Voltaje de operación:

5V

▪ Voltaje de entrada: 7-

12V

▪ Digital I/O Pins 20

▪ PWM : 7

▪ Entradas análogas 12

▪ Corriente DC por pin

I/O: 20 mA

▪ Corriente DC para

pines de 3.3V: 50 mA

▪ Flash Memory 32

KB (ATmega32U4)

▪ SRAM 2.5 KB

(ATmega32U4)

▪ EEPROM 1 KB

(ATmega32U4)

▪ Velocidad de reloj 16

MHz

[13]

Tabla 6. Alternativas de tarjetas y microcontroladores.

De las alternativas, la tarjeta Waspmote está especialmente diseñada para IoT por lo que cuenta con un muy bajo consumo y variedad de alternativas para la comunicación, protocolos industriales y sensores, sin embargo, teniendo en cuenta la comunicación seleccionada SigFox, esta tarjeta no brinda conectividad en Colombia. Por otro lado, The Soul One es un kit de desarrollo que en una tarjeta incluye el módulo de comunicación y microcontrolador, por medio de la cual se puede hacer la conexión de diferentes sensores y dispositivos y además se establece la comunicación con conectividad en Colombia. The Soul One fue seleccionado en primera medida para el prototipo, pero no se tenía disponibilidad por lo que se optó por un Arduino Micro que tiene el mismo microcontrolador y cuyas características se podían acoplar adecuadamente con los requerimientos.

8.2 Arquitectura de Control y Automatización

Para el desarrollo de la arquitectura primero se definen las variables que serán necesarias para el sistema

✓ Flujo de gas en el consumo

✓ Concentración de gas natural en el aire.


16

✓ Temperatura ambiente.

✓ Alarma de fuga de gas

✓ Comando de cierre de válvula

Para la estructuración del sistema en primer lugar, se construye la pirámide de automatización donde se pueden ver los elementos de los diferentes niveles.

- Nivel de campo: En este nivel se encuentran todos los elementos de campo como son

los sensores de concentración de gas y temperatura, el medidor de flujo y la válvula con

Relé.

- Nivel de control: En este nivel se encuentre un módulo de adquisición y procesamiento, que consta de la tarjeta Arduino que incluye el microcontrolador y otros dispositivos

electrónicos como RTC y conversor de voltaje. Adicionalmente, aquí se encuentra el

módulo de comunicación (SigFox) por medio del cual se puede realizar el envío y

recepción de información. Este nivel permite la integración entre la medición, la

adquisición y procesamiento y la comunicación en el sistema local.

- Nivel de Supervisión y Gestión: En este nivel se involucra la plataforma de Backend de

SigFox por medio de la cual se hace la recepción de los mensajes del dispositivo y se

crean los Callback para generar acciones. Adicionalmente, se encuentra el aplicativo del

usuario final donde se puede ver el estado del sistema y gestionar el suministro.

Ilustración 4. Pirámide de automatización para el sistema.

8.3 Arquitectura General

Para el diseño de la arquitectura del sistema, también se basa en la arquitectura de un sistema IoT, como la que se describió en el marco teórico. En el esquema de la siguiente ilustración, se puede evidenciar esta arquitectura junto con los diferentes niveles de control y automatización que se definieron anteriormente.


17

Ilustración 5. Arquitectura de la solución.

▪ Medición: Para la medición se definen 3 variables que son concentración de gas en el

aire, flujo en el suministro de gas y temperatura ambiente, que permiten identificar y

caracterizar los riesgos por fugas y además permiten conocer variables de gestión y

estado general del sistema. Por otro lado, también se tiene como actuador una válvula

ON-OFF para activar o desactivar el suministro de gas natural en el hogar.

▪ Adquisición y Procesamiento: Esta parte de la arquitectura corresponde a el

procesamiento de los datos obtenidos de las mediciones, donde se establecen los

niveles de riesgo en la concentración o temperatura y las respectivas alarmas o acciones

en dado caso que se requiera, además de esto se establece un envío periódico de las

variables del sistema para tener información continua y acceso a un histórico. Aquí se

encuentra el módulo de Adquisición y Procesamiento.

▪ Conectividad: Para la conexión con la red se hace uso de un módulo de comunicación

con la red SigFox, que permite el envío de datos de forma remota con una plataforma

virtual, que permite una comunicación bidireccional entre el usuario final y el

dispositivo. En esta parte de la arquitectura se incluye el módulo de comunicación.

▪ Aplicativo del usuario: Este aplicativo permite interactuar con el sistema de suministro,

ya que el usuario puede acceder a los reportes del estado de su sistema, datos de

consumo y desde este también podrá cerrar la válvula del suministro en caso de que así

lo quiera, de forma remota.


18

9 Selección de los elementos y estructuración del sistema Después de haber estudiado las alternativas de desarrollo, se selecciona la que mejor se adapte a las funcionalidades y limitaciones del proyecto.

9.1 Estructuración del Sistema de Medición

Para el sistema de medición se seleccionaron cuatro (4) elementos de campo con el propósito de obtener y controlar las variables del sistema definidas previamente: ▪ Concentración de gas: Para la medición de esta variable se selecciona un sensor de

concentración de gas metano, debido a que es el componente que se encuentra en mayor

porcentaje en la composición de gas natural; este es de tipo catalítico que funciona por

oxidación del gas vía catalítica, por lo que se tiene un circuito con una resistencia variable

en función de la concentración de gas a la que se encuentra expuesto. Estos sensores son de

fácil adquisición en el mercado, con aplicaciones industriales, un precio muy económico y

se encuentra en el rango de medición para la aplicación que se requiere.

▪ Temperatura: Para la medición de esta variable se define un sensor de temperatura, ya

que los riesgos de este gas no son solo por inhalación, sino que también existe un riesgo por

ignición y una medición de temperatura permite identificar este riesgo; este es de tipo

analógico que caracteriza el cambio de la temperatura con el nivel de tensión de salida. Este

tipo de sensor tiene un comportamiento lineal de la salida en voltaje con respecto al cambio

de la temperatura y la relación entre estos dos es de 10mV por 1°C. Además de esto tiene

un rango de error de +- 0.2°C y cumple con las características para cumplir la función de

identificar niveles altos de temperatura o un cambio brusco en esta variable.

▪ Flujo: Para la medición del flujo (Volumen por unidad de tiempo) se seleccionan medidores

tipo turbina que se basan en el principio de la velocidad de un elemento mecánico, el cual

se convierte en una señal eléctrica de pulsos que se convierte en medición de metros

cúbicos por unidad de tiempo (minuto, día, mes o el periodo de tiempo de interés). Este

elemento mecánico consiste de unas paletas de material ferromagnético que siguen un

movimiento giratorio al pasar el gas por el medidor. Haciendo uso de un imán y una bobina

se pueden detectar las rotaciones de las paletas al pasar por el imán con una exactitud de

hasta +/- 0.1% aunque esta medición de puede ver afectada por partículas.

▪ Comando de cierre de válvula: Como elemento primario para la estrategia de control se

define la utilización de una electroválvula para el cierre en el suministro, esta válvula

cumple la función de cierre en caso de fuga. Esta válvula va conectada a un relé y

posteriormente al microcontrolador de Arduino, esto ya que esta válvula funciona por medio de pulsos con una alimentación de 9V DC o 12V AC a 1.5 A y el relé permite la

integración del circuito de un mayor voltaje (batería) con el de un menor voltaje (Arduino).

Esta válvula se define para el área a la que puede tener acceso el usuario para gestionar el

suministro de gas, es decir, donde están ubicadas las válvulas manuales de gas en cada casa

o apartamento.

El cierre de la válvula para el suministro y el envío de alertas al usuario son las acciones que serán tomadas por el sistema cuando se detecten en el sistema de medición niveles de gas dentro de los de riesgo. Para la apertura de la válvula de nuevo se hará de forma manual y


19

dado que la válvula solo tiene dos estados, abierta o cerrada se hace un control de tipo ON-OFF.

La medición de estas variables se hace de manera constante para la concentración y temperatura y en el momento en que se realice un consumo la medición del flujo. Para este sistema, la instrumentación seleccionada se encuentra en la siguiente tabla:

Dispositivo Referencia Características

Sensor de concentración

de gas

MQ-4 (Gas Metano)

• Alimentación de 5V • Consumo de potencia de 900mW • Rango de concentración de 300-1000 ppm • Temperatura de funcionamiento -10 a 50°C • Humedad de funcionamiento < 95% RH • RL =20kOhm

[15]

Sensor de temperatura

LM335Z

• Alimentación de 5V • Exactitud +/- 2°C • Rango de temperatura de trabajo -40°C

100°C • Corriente de salida 450uA a 5mA • Corriente de operación 1mA • Ganancia 10mV/K

[16]

Válvula de cierre

Válvula solenoide por

pulsos

• Compatible con materiales como gas natural, gas licuado y otros gases no corrosivos

• Operatividad por medio de pulsos eléctrico • Material: Aleación de aluminio • Voltaje de operación 9-12 V DC • Corriente de operación 1.5 (pulso) • Material de sellado NBR Caucho • Tamaño: DN15A • Tiempo de cierre menor a un segundo • Temperatura de funcionamiento: 10-50 °C • Nivel de protección IP65 • Diámetro: ½ “ • DN15, 100 Kpa

[17] Tabla 7. Instrumentación del sistema de medición.

*El medidor de flujo no es seleccionado dentro de la instrumentación ya que por su costo no se contempla dentro del prototipo, aunque si selecciona el tipo de medidor y la caracterización de su funcionamiento.

9.2 Estructuración del Sistema de Adquisición y Procesamiento

El sistema de adquisición y procesamiento consiste en la lectura de las mediciones realizadas por los elementos de campo como son el sensor de concentración de gas, sensor de temperatura y medidor de flujo, además de la válvula de cierre que tiene los dos estados on y off. Estos datos


20

obtenidos son procesados, teniendo en cuenta la caracterización previamente mostrada y el voltaje de entrada obtenido de los sensores, de manera que se puedan tener las variables en las correspondientes unidades, concentración (ppm), temperatura (°C) y flujo o volumen (m3). La instrumentación de este sistema es la que compone el módulo de adquisición y procesamiento con un Arduino Micro, que se describe en la sección de alternativas de desarrollo, y demás elementos como conversor de voltaje y RTC que permitan conectarse con los elementos de campo.

9.3 Estructuración del Sistema de Telecomunicación

Para el sistema de comunicación, tras evaluar las alternativas de desarrollo previamente explicadas se selecciona el uso de la tecnología SigFox por medio del módulo de comunicación SigFox breakout de TST. Este módulo, que es uno de los productos que se ofrecen como partner de SigFox, permite la conectividad en Colombia a través de la red SigFox y hasta su Backend donde se reciben todos los datos enviados por el módulo de las variables de medición, alarma y comandos definidos para la válvula. Como parte de la funcionalidad del sistema de comunicación, se establece un intercambio de mensajes de forma bidireccional, de este modo se podrán enviar datos sobre el sistema y recibir comandos para la válvula. La estructura de comunicación es un envío periódico 4 veces por día de las variables del sistema, en cada uno de estos envíos se transmiten 6 valores de cada una de las variables (un promedio por hora), de modo que en total por día se tengan 24 datos de cada variable. Adicionalmente se enviará una solicitud de comando para cierre de válvula 4 veces por día junto con las demás variables en los envíos periódicos.

Ilustración 6. Estructura de la comunicación bidireccional.

Para este sistema, la instrumentación corresponde al módulo con conectividad SigFox que permita la conexión con la red y el intercambio de información. El módulo seleccionado es:

Dispositivo Referencia Características

Módulo de comunicación

BreakOut SigFox

• Voltaje de alimentación 3.3V o 5V • Compatible con plataformas de desarrollo como

RaspberryPi o Arduino


21

• Conexión por medio de comandos AT • Conexión para una antena exterior • Conectividad con la plataforma SigFox • Módulo de comunicación Wisol SFM11R2D

[18] Tabla 8. Instrumentación del sistema de comunicación.

10 Caracterización de los elementos tecnológicos

10.1 Sistema de Medición

10.1.1 Concentración de gas

Esta medición se hace con un sensor MQ4, para la caracterización de este sensor se toma la

gráfica de sensibilidad que se encuentra en el datasheet del sensor [15]. A partir de allí, se

encuentra una ecuación característica para la calibración y con el valor obtenido del circuito

del sensor se puede obtener un valor en ppm.

En primer lugar, se obtienen los valores de la gráfica que corresponden a la curva característica para gas metano y este grupo de datos se grafican en Excel y se encuentra una regresión exponencial para encontrar los valores de la ecuación.

Ilustración 7. Curva de calibración del MQ4 y su regresión exponencial.

De esta se encuentra la siguiente ecuación:

𝑦 = 𝑚 𝑥𝑏 , 𝑅𝑠

𝑅𝑜= 𝑦 = 𝑚 (𝑝𝑝𝑚)𝑏

𝑚 = 11,293, 𝑏 = −0,351 El circuito simplificado del sensor MQ4 es como se muestra en la siguiente figura.

y = 11,293x-0,351

R² = 0,9998

0

0,5

1

1,5

2

0,0 2.000,0 4.000,0 6.000,0 8.000,0 10.000,0 12.000,0

Rs/

Ro

ppm de CH4

Sensor MQ4


22

Ilustración 8. Circuito simplificado del sensor MQ4.

Para conocer el valor de las resistencias Rs y Ro que permiten despejar la concentración en ppm, se realiza un análisis del circuito del que se compone el sensor. Rs corresponde a la resistencia de que va cambiando según la concentración de gas, RL corresponde a la resistencia de carga que para este sensor es de 20k Ohm, con este valor y el valor de voltaje aplicado (5V) y voltaje leído del pin análogo del sensor se puede hallar el valor de Rs, usando el sensor en un lugar que no esté expuesto a ningún tipo de gas, este valor de Rs será el valor en aire fresco. Con este valor y la relación Rs/Ro se puede hallar el valor de Ro que será fijo para el sensor y se podrá usar en las mediciones de este. A partir de este circuito se encuentra el valor de Ro por medio de la siguiente ecuación:

𝑉𝑅𝐿 = 𝑉𝐶 ∗𝑅𝐿

𝑅𝑠+𝑅𝐿 Ecuación 1

𝑅𝑠 =𝑉𝑐

𝑉𝑅𝐿∗ 𝑅𝐿 − 𝑅𝐿 Ecuación 2

Donde Vc es el voltaje aplicado al sensor y VRL es el voltaje de salida del sensor leído en el Arduino. Con estos valores se encuentra Rs y con esta Ro por medio de una tasa:

𝑅𝑠

𝑅𝑜 = 4.45 Ecuación 3

Este valor de 4,4 es obtenido con los valores de la gráfica de sensibilidad para aire donde tiene un valor constante de 4,447806248375483 Con este valor de Ro se puede hallar la concentración en ppm medida por el sensor según la curva característica que se tiene en el sensor.

𝑝𝑝𝑚 = (

𝑅𝑠𝑅0𝑚

)

1𝑏

= (

𝑅𝑠𝑅0

11,293)

−10,351

Ecuación 4

10.1.2 Temperatura

Para esta medición se selecciona un sensor LM335Z que es un sensor de precisión de

temperatura. La calibración de este sensor se hace con base en la calibración de la hoja de datos

con una salida de 10mV por grado Kelvin, en promedio un voltaje de 2,99 V corresponde a una

temperatura de 24°C (haciendo la conversión desde grados Kelvin) y dado que estas

mediciones se hacen en un rango hasta un máximo de 5V, se obtienen mediciones hasta de

200°C. Cabe aclarar que esta calibración se hace solamente con los datos técnicos que se tienen

del sensor ya que no se cuenta actualmente con otro instrumento preciso de medición con el

que se pueda comparar la medición y hacer una calibración más precisa del instrumento.


23

Con este rango de medición, es posible identificar el riesgo de una posible ignición a causa de una fuga de gas inflamable. Es importante tener una medición de esta variable, aunque no se necesita tener una extrema precisión o exactitud en le medición ya que la finalidad de tener este valor es identificar altas temperaturas que se relacionan con una posible ignición.

10.1.3 Flujo

Se seleccionan medidores de tipo turbina para la medición de esta variable, que como se explicó

anteriormente, permite la medición de flujo por medio de la medición de velocidad de las

paletas internas que se mueven cuando pasa el líquido, gas o vapor. Esta velocidad es

proporcional al volumen del flujo y un pulso se genera cada vez que pasa una de las paletas pasa

por un imán. Contando estos pulsos es posible calcular la frecuencia y por medio de un factor

de conversión, el flujo.

Para esto, desde el microcontrolador se debe hacer la lectura de los pulsos y de la frecuencia, lo que se detecta dentro de la lógica por flancos de subida, es decir cuando cambia la entrada de un pin digital de bajo a alto. Teniendo una cuenta de estos flancos se puede calcular la frecuencia de los pulsos y por medio de un factor de conversión que depende del medidor se calcula el flujo. Además, con este flujo es posible calcular el volumen.

𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 =𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 Ecuación 5

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 =𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜

60∗

𝑑𝑡

1000 Ecuación 6

Dado que la facturación de este servicio se hace por medio de la variable de volumen, con los valores de flujo medidos se calcula el volumen para el periodo de interés, como la suma de flujo o rotaciones del medidor de desplazamiento positivo utilizado. Este valor calculado es acumulado, lo que quiere decir que los valores de medición se van acumulando al valor anterior registrado, de manera que se puede tener medición de consumo total en un intervalo de tiempo.

10.1.4 Válvula

Como elemento de control del sistema se considera la utilización una electroválvula específica

para uso en tuberías de gas doméstico de 1/2 “. Esta válvula tiene dos estados posibles, abierto

y cerrado, el cierre de esta se realiza por medio de un pulso eléctrico y se abre de manera

manual por medio de un botón que se encuentra en la válvula. El cierre de la válvula por medio

del pulso eléctrico permite que esta acción pueda ejercerse desde el microcontrolador, ya sea

porque se identifica una posible fuga o por que el usuario ha enviado un comando de cierre el

sistema. Por otro lado, la apertura se hace de forma manual, lo que permite que el

restablecimiento del sistema sea realizado por una persona en el hogar, que pueda previamente

consultar el estado del sistema y que conscientemente reactive el suministro.

10.2 Sistema de Adquisición y procesamiento

La etapa de adquisición y procesamiento dentro del sistema completo se diseña en un módulo de Adquisición y Procesamiento. El diseño para el funcionamiento de este módulo se muestra en los diagramas de flujo para cada variable que se encuentran en el Apéndice V, como es el


24

funcionamiento y la lógica general del sistema. Estas funciones son realizadas por parte de este módulo.

10.2.1 Sistema de Seguridad

Como parte de la lógica del sistema se establece que el sistema de seguridad funciona por medio de 4 estados del sistema:

Estado Acción Concentración Temperatura SEGURO No se toma acción en el sistema > 480 ppm > 30°C ALARMA

INFORMATIVA Se envía un mensaje al usuario indicando niveles anormales

480- 1000 ppm 30-38 °C

ALARMA PREVENTIVA

Se envía un mensaje de alarma y se solicita al usuario un

comando de cierre de válvula 1000-2000 ppm 39 – 45 °C

RIESGO Se cierra la válvula de suministro y se avisa al usuario

>2000 ppm > 45 °C

Tabla 9. Tabla sistema de seguridad-.

10.3 Sistema de Telecomunicación

Para los desarrollos de IoT y comunicación se realizan manual pedagógico por medio del cual se describe el funcionamiento de SigFox, su integración con el sistema y un ejemplo de la comunicación, este manual se encuentra en el apendice III de este documento.

10.4 Optimización del consumo energético

Dado que todos los elementos que componen la solución van a estar en constante proceso de medición y procesamiento para estar atento a cualquier emergencia, las acciones, en un estado normal de funcionamiento generarían un consumo de energía muy alto, lo que no solo implica un alto costo de recursos, sino que además acorta en gran medida la vida de la batería, que es la fuente de alimentación. Teniendo en cuenta este aspecto se establecen ciertas medidas, que permiten reducir considerablemente este consumo; dichas medidas se describen a continuación: ▪ Sleep Mode Arduino:

Una configuración del microcontrolador arduino en modo “sleep mode”, permite reducir considerablemente el consumo de corriente desde las baterías prolongando hasta en un 50% su vida útil. Dentro de las características del microcontrolador Arduino existen diferentes modos que deshabilitan/habilitan ciertas funciones o características que determinan la cantidad de consumo que se ahorre. El ahorro de energía implica no solo reducir el funcionamiento del microcontrolador sino también de los demás módulos con los que cuenta la tarjeta Arduino. Para la selección del modo es necesario tener en cuenta que para el diseño del sistema se debe tener una medición constante de la concentración de gas metano y temperatura ya que se trata de un sistema de seguridad y debe estar en alerta constantemente ante una fuga. Por medio de estos modos de sleep específicamente en Power Down se puede seguir en funcionamiento ya que se puede realizar la medición por medio de interrupciones cuyos pines correspondientes del Arduino Pro Micro son 0,1,2,3,7 y todos los demás módulos se suspenderán hasta que se vuelva a activar. Para el microcontrolador ATmega32U4 al usar este modo el consumo se reduce hasta valores de 10uA o menores lo que ayuda significativamente a la duración de la batería.


25

La activación del Arduino se realiza solamente cuando ocurra el evento de que hay valores de riesgo en concentración de gas o en la temperatura y se deban tomar acciones o cuando, por medio de un RTC se cumple una hora establecida para el envío periódico de los valores de las variables. En este momento se tendrá el consumo normal del microcontrolador y de los demás equipos. Adicionalmente se establece una reducción en la alimentación de los elementos que no estén en constante funcionamiento, como es por ejemplo la válvula que tendrá un consumo a menos que se tenga que realizar su cierre.

▪ Módulo IoT para la comunicación:

El proyecto como parte de un sistema IoT, no sólo contempló un enfoque orientado a obtener una adecuada comunicación inalámbrica con un usuario, sino que también tiene como una de sus prioridades la optimización en el consumo de energía. Es así como se seleccionó la tecnología sigfox, y con ello la utilización del módulo IoT de SigFox, cuenta con estas características de diseño que lo valoran dentro de las tecnologías de bajo consumo LPWA. El módulo de comunicación, dado su funcionamiento con los mensajes Downlink y Uplink, no tendrá que estar constantemente encendido esperando recibir mensajes dado que estos solo llegan cuando se haga una solicitud Uplink primero y todos estos mensajes Uplink serán programados en el microcontrolador previamente como parte de la lógica del sistema a una hora establecida.

11 Desarrollo del prototipo

11.1 Lógica del sistema

Para el desarrollo del prototipo se establece las acciones y desempeño del sistema, para el procesamiento de los datos. Teniendo caracterizada la medición se identifica y define la lógica general de la solución para cada una de las variables. Como parte del prototipo se realiza una simulación por medio de la cual se evidencien las funcionalidades, para esto se desarrolla un código de Arduino que se encuentra en el Apéndice II de este documento.

11.2 Esquemático del prototipo

El esquemático donde se puede encontrar la instrumentación para el diseño del prototipo se puede ver en la siguiente imagen:

Ilustración 9. Esquemático actual de la solución.


26

11.3 Desarrollo de los despliegues y modelos

Se realiza el diseño de una guía gráfica y visual del funcionamiento y estructura del aplicativo al que tendrá acceso el usuario final, estos despliegues se encuentran en el apéndice I de este informe. Con la información de los valores enviados desde el módulo, se generan los reportes y toda la visualización de la información en el aplicativo del usuario, es decir reportes de alarmas, de consumo, alarmas de emergencia, gráficas de las variables del sistema y el comando para interactuar con el sistema de suministro. Para estos despliegues se muestran gráficas de los valores de las variables por mes y en los últimos meses de manera que se puede consultar el estado del sistema en el transcurso del mes y el histórico de otros meses. A partir de estos se pueden revisar los cambios del consumo entre ellos y con respecto a un promedio calculado de los diferentes meses. Adicionalmente el valor que se grafica por día es el promedio de los 24 datos que se reciben de cada variable por día. En el Apéndice IV se encuentra el modelo utilizado para realizar las gráficas y reportes que se ven en los despliegues. Este modelo toma valores aleatorios, pero dentro de los rangos normales de las variables de concentración, temperatura y flujo por día, a partir de estos valores se hacen gráficas de estas en función de los meses o días corridos del mes. Para cada una de estas variables, se saca un promedio mensual, que se pueda observar en la gráfica para ver los cambios de los valores con respecto a este. Igualmente, en las gráficas se pueden ver los valores de límite superior e inferior en cuanto a los riesgos.

11.4 Simulación

La simulación cuenta con los siguientes elementos: • Arduino UNO R3

• Sensor de gas

• Sensor de temperatura

• LED RGB

• LEDs de colores

• Generador de señales

• Pantalla LCD

Cabe resaltar que el microcontrolador seleccionado no es el mismo seleccionado en la instrumentación ya que este no se encuentra disponible en la herramienta de Tinkercad. Los sensores de la simulación son del mismo tipo que los seleccionados en la instrumentación y el medidor de flujo es simulados por medio de una señal cuadrada que represente los pulsos. La calibración especificada anteriormente para los sensores es implementada en el Arduino UNO que está conectado a los sensores, de modo que se puedan obtener las variables de ppm para concentración de gas y °C para la temperatura, que se pueden ver en la pantalla LCD. Dado que estas dos variables hacen parte del sistema de seguridad se representan las diferentes alarmas y estados según el valor de cada variable:

Estado LED Concentración Temperatura SEGURO Verde > 480 ppm > 30°C ALARMA

INFORMATIVA Azul 480- 1000 ppm 30-38 °C

ALARMA PREVENTIVA

Amarillo 1000-2000 ppm 39 – 45 °C

RIESGO Rojo >2000 ppm > 45 °C Tabla 10. Condiciones de simulación TinkerCad.


27

Por otro lado, la herramienta de simulación TinkerCad no cuenta con un medidor de flujo y como se mencionó anteriormente, la señal se simula por medio de un generador de señales con una señal cuadrada de amplitud de 5V y frecuencia de 20Hz. Esta señal es conectada a uno de los pines de interrupción del Arduino, de manera que esta lectura no se interrumpa mientras el Arduino ejecuta otras acciones, como el Sleep Mode. Estos pulsos son detectados por medio de flancos de subida y se convierten a variable de flujo y posteriormente a variable de volumen. Este valor de volumen (acumulado) también se ve en la pantalla LCD. En cuanto al accionamiento de la válvula, se tiene un LED color azul que se enciende cuando se envía el comando de cierre de válvula, es decir cuando se encuentre en un estado de riesgo. Una imagen de la simulación se encuentra en el Apéndice V.

El código implementado para la simulación se encuentra en el apéndice II de este documento. El video explicativo de la simulación se puede ver en el siguiente link: https://youtu.be/kzVzpjikwno

12 Documentación de los resultados y diseño de las pruebas

12.1 Metodología de Prueba

Como parte de la implementación del prototipo diseñado, se debe realizar un procedimiento de pruebas que permita verificar el correcto funcionamiento del sistema teniendo como base los parámetros de funcionamiento especificados para este proyecto y realizando pruebas por componente y subsistemas y una prueba final integral del todo el sistema.

1. Montaje: Se debe realizar el montaje propuesto en la etapa 5, implementando toda la

instrumentación especificada. Para esto se deben seguir los siguientes pasos:

I. Establecer el lugar de la casa en donde se quiere realizar la medición de gas y

temperatura. Este lugar idealmente debe estar en la parte de arriba, dado que por

la composición del gas este tiende a subir. De igual, el dispositivo integrado debe

encontrarse cerca de donde se encuentra la válvula de gas.

II. Instalar los sensores, medidores y válvula junto con el módulo de adquisición y

procesamiento. El medidor de flujo y la válvula se encuentran en el lugar de

suministro, pero los sensores de concentración de gas y temperatura se integran

junto con el módulo de adquisición y procesamiento en una estructura física.

Adicionalmente también se debe integrar con la alimentación de la batería.

2. Medición: Con el montaje ya puesto en el lugar de operación, se debe comprobar que se

esté realizando de manera adecuada la medición, para lo que es necesario implementar el

código de medición en el microcontrolador, como el que se usó en la simulación y que se

encuentra en el Apendice II de este documento. En este código se encuentran las funciones

para la adquisición y procesamiento de los valores obtenidos de los sensores y la activación

de alarmas o de acciones de control del sistema. Estas mediciones obtenidas deben ser

contrastadas con valores reales (obtenidos con otros instrumentos) de manera que

cumplan con las condiciones especificadas en la sección de validación.

3. Adquisición y Procesamiento: En segundo lugar, se debe asegurar que la lógica del

sistema esté funcionando adecuadamente, lo que quiere decir que se tomen las acciones

de comunicación o de control que sean necesarias ante los eventos establecidos. Para esto

debe implementarse la funcionalidad completa del sistema para la medición y adquisición

https://youtu.be/kzVzpjikwno


28

sin probar aún la comunicación con SigFox. Por medio de un suministro controlado de gas

metano al cual se ve expuesto el sistema se prueban las acciones de control diseñadas para

el sistema que incluye el cierre de la válvula y las alarmas al usuario. Para la prueba estas

pueden mostrarse en una pantalla de visualización donde se indique cuando las acciones

fueron activadas, además de los valores de mediciones.

4. Comunicación: Se debe comprobar la comunicación con SigFox. Para esto, se debe realizar

por medio del módulo de comunicación el procedimiento expuesto en el manual de SigFox

que se mencionó anteriormente. En este se da un ejemplo por medio del cual se puede

recibir el valor de cierta variable y verificarse por medio del Backend. Al adquirir el

breakout de TST seleccionado para el prototipo, se tendrá acceso a los comandos AT por

medio de los cuales se hace la conectividad y el envío de información. Esta función para la

comunicación y el envío de la información debe ser implementada dentro del código que

se tienes para la medición y adquisición y procesamiento. Se debe verificar el siguiente

aspecto siguiendo los procedimientos en el manual:

- La correcta conectividad con el Backend de SigFox

- La recepción de los datos en el Backend de SigFox

- La recepción de los mensajes Downlink por parte del dispositivo.

5. Conexión del Backend de SigFox – Usuario: Por parte del usuario se debe poder acceder

a la información mediante un aplicativo que debe ser desarrollado e implementado. En el

manual de SigFox que se encuentra en el Apéndice III de este documento, se encuentran

las diferentes en los que se puede conectar la nube de SigFox con una interfaz que puede

ser una API, Portal Web o un Callback. En el diseño del sistema se incluye u diseño gráfico

de los módulos operacionales por medio de los cuales se pueden realizar las consultas y

gestión del sistema, que deberá ser implementado en la interfaz que se seleccione. Se debe

asegurar el funcionamiento de estos módulos y el correcto traspaso de información entre

el Backend de SigFox y la interfaz.

6. Integración: Prueba del sistema completo, se hace una prueba del correcto

funcionamiento de la medición, adquisición, procesamiento, comunicación y aplicativo de

manera conjunta.

En la siguiente figura se muestra un diagrama del proceso de pruebas y que elementos involucra dentro de la arquitectura general de la solución.

Ilustración 10. Diagrama para la metodología de pruebas.


29

12.2 Validación de las pruebas

En cuanto a la validación de los resultados, esto se debe realizar por medio de la metodología de prueba y haciendo uso de índices de cumplimiento que permitan tener un resultado cuantitativo. Para cada una de las variables o elementos esenciales del sistema se define las características que se deben cumplir para validar su funcionamiento.

Valor Absoluto Valor Relativo Indicador de

aprobación

Concentración

Metano Ppm

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 +/- 1.0%

Temperatura °C 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 +/- 3°C

Volumen m3 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙 +/- 0.1 %

Comunicación Número de

transmisiones por día

# 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑒𝑗𝑒𝑐𝑢𝑡𝑎𝑑𝑎𝑠

# 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 +/- 0%

Acciones de

Control

Número de acciones por

día

# 𝐴𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑒𝑗𝑒𝑐𝑢𝑡𝑎𝑑𝑎𝑠

# 𝐴𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 +/- 0%

Tabla 11. Indicadores de validación del prototipo.

13 Conclusiones y Discusión

13.1 Conclusiones

• En Colombia existen más de 9 millones de hogares que consumen gas natural y que están

expuestos a altos riesgos por inhalación o incendio debido a fugas no controladas del

producto. Por tal razón es de vital importancia de disponer de un sistema automático de

control de las fugas que permita tomar acciones preventivas y/o correctivas.

• El principal desarrollo de este proyecto es el diseño de un sistema automático para el

control de fugas en el sistema de suministro de gas domiciliario y la gestión y supervisión

del estado del sistema y consumo. Este diseño se hace mediante la arquitectura que integra

la de un sistema IoT y niveles de automatización, que representa la integración de un nivel

de campo y un aplicativo donde se pueda gestionar y consultar sobre el sistema con una

comunicación bidireccional y remota.

• Como parte de la etapa de implementación en el sistema, se diseña un prototipo por medio

del cual se pueda validar y evidenciar el funcionamiento del sistema para un tercero que

quiera implementarlo. Para este diseño se incluye la estructuración, selección de

instrumentación, caracterización de los dispositivos y una simulación que ejemplifica su

funcionamiento general y la lógica implementada. Para el proceso de validación que se

busca realizar por medio del prototipo, se especifica un proceso de prueba que permita

verificar el funcionamiento y validar las especificaciones del sistema.

• El diseño del sistema se direcciona al usuario del gas natural domiciliario para la

supervisión y gestión en su hogar, además de la seguridad ante fugas. Sin embargo, como

trabajos futuros de este proyecto, el alcance puede ampliarse a las empresas distribuidoras

de gas natural. Para estas empresas, se puede incluir un módulo dentro del aplicativo para

su uso exclusivo, en donde se reciba información de los consumos de sus usuarios y la


30

posibilidad de realizar los cortes y reconexiones de forma remota y de forma automática

optimizando así costos de operación.

13.2 Discusión

El trabajo realizado a lo largo de este proyecto, consistió en el diseño de una solución que cumpliera con los objetivos especificados y la propuesta de valor creada, estos dos elementos dieron el marco en el que se diseña una solución tecnológica. Este diseño de la solución consistió tanto de la definición de los sistemas y funcionalidades que se debían cumplir, como de la arquitectura general de la solución, donde se indicó el tipo de dispositivos electrónicos necesarios. Adicionalmente, para el diseño fue necesaria la selección de instrumentación que se acoplara con estos requerimientos y que fueran de fácil integración entre ellos, con el fin de diseñar un prototipo donde se pudiera poner en práctica la funcionalidad del sistema. Este prototipo tenía dentro de su alcance un montaje físico, sin embargo, dadas las condiciones de salud pública en las que se encuentra el país y que han limitado las actividades académicas, este elemento ya no hace parte del alcance del proyecto, por lo que se recurrió a otras alternativas que permitieran dar constancia del trabajo desarrollado y del desempeño del mismo. Estas alternativas corresponden a las tareas de una ingeniería conceptual, donde se establece la base para la implementación futura del prototipo y las actividades relacionadas a las primeras etapas de diseño, selección y estructuración son realizadas como se plantearon en un principio, sin embargo, las etapas de implementación se limitaron a simulación, y diseño de los despliegues. Por tanto, los resultados finales obtenidos para la realización del proyecto consisten en simulaciones, por medio de las cuales se evidencia el funcionamiento de la medición, adquisición y procesamiento de datos y diseños gráficos que ilustrarán la interfaz que tuviera el usuario final dentro del sistema. Adicionalmente, se establece una metodología de pruebas y validación de resultados, por medio de la cual, en el momento de la implementación del prototipo, fuera posible identificar errores y asegurar el correcto funcionamiento de la solución con los parámetros establecidos. Finalmente, con los avances realizados en este proyecto, se cubre una etapa inicial de diseño, y se abre el camino a etapas futuras, que consistirían de una ingeniería básica y de detalle en las que además se pueden incluir más actores de la cadena de valor del Gas Natural. Estos nuevos actores pueden obtener beneficios, y dar un valor agregado en sus funciones por medio de la centralización de la información, la automatización y control y la interconexión de los diferentes dispositivos y sistemas.

14 Referencias

[1] Vanti, «Teléfonos de atención,» [En línea]. Available:

https://www.grupovanti.com/co/hogar/servicio+al+cliente/1297102460724/telefonos+de+atenci

on.html. [Último acceso: 22 Mayo 2020].

[2] M. d. E. d. Colombia, «Minenergía,» [En línea]. Available: https://www.minenergia.gov.co/gas-

natural1. [Último acceso: 22 Mayo 2020].

[3] The Linde Group, «Hoja de seguridad del material (SDS) Gas Natural,» Guayaquil, 2012.

[4] Oracle, [En línea]. Available: https://www.oracle.com/co/internet-of-things/what-is-iot.html.

[Último acceso: 22 Mayo 2020].


31

[5] Naturgy, «Naturgy,» [En línea]. Available:

https://www.naturgy.es/es/conocenos/eficiencia+y+bienestar/en+casa/consumo+eficiente/electr

odomesticos/1297101135038/gasodomesticos.html. [Último acceso: 22 Mayo 2020].

[6] Portafolio, Vanti, el nuevo nombre de Gas Natural Fenosa, 22 Noviembre 2018.

[7] Vanti, «Regimen Juridico. Grupo Vanti,» 2020. [En línea]. Available:

https://regimenjuridico.grupovanti.com/normativo.php.

[8] Grupo Vanti, «Regimen Juridico Vanti Colombia,» [En línea]. Available:

https://regimenjuridico.grupovanti.com/index.php.

[9] Domoticalia the smarthome experience, «Popp Flow Stop - Anti fugas para corte en válvulas de

agua / gas,» [En línea]. Available: https://www.domoticalia.es/es/actuadores/487-anti-fugas-

popp-para-corte-en-valvulas-0019962009501.html.

[10] El Mundo, «La válvula inteligente que cierra sola el gas si hay un escape en el hogar,» 22 Abril

2015.

[11] TST, «TST. The Soul of Things. Kit de desarrollo,» [En línea]. Available:

https://www.tsthings.com/develpment-kit. [Último acceso: 22 Mayo 2020].

[12] Libelium, «Waspmote Datasheet,» 2016.

[13] Arduino, «Arduino store. Arduino Micro,» [En línea]. Available:

https://store.arduino.cc/usa/arduino-micro.

[14] Alfa IoT, «NB-IoT vs LoRa vs SigFox,» [En línea]. Available: https://alfaiot.com/blog/ultimas-

noticias-2/post/nb-iot-vs-lora-vs-sigfox-10.

[15] H. ELECTRONICS, «Technical Data MQ4 Sensor».

[16] Texas Instruments, «Datasheet Precision Temperature Sensors,» 2015.

[17] Vistrónica, «Electroválvula 1/2" de Cierre para gas domestico,» [En línea].

[18] «SigFox Partners network. Breakout TST,» [En línea]. Available:

https://partners.sigfox.com/products/breakout-tst. [Último acceso: 22 Mayo 2020].

[19] Grupo de energía de Bogotá, «Informe de Gestión Sostenible,» Bogotá D.C, 2015.

[20] The Linde Group, 19 10 2012. [En línea]. Available: http://www.linde-

gas.ec/en/images/HOJA%20DE%20SEGURIDAD%20GAS%20NATURAL_tcm339-

98269.pdf.

Apéndices Apéndice I. Despliegues del aplicativo del usuario Final.


32

Ilustración 11. Página principal del aplicativo.

Ilustración 12. Página principal de consulta del aplicativo.


33

Ilustración 13. Reporte y gráficas de consumo en el aplicativo.

Ilustración 14. Página del estado del sistema en el aplicativo.


34

Ilustración 15. Página de Gestión de Alarmas y comandos del aplicativo.

Ilustración 16. Aviso de comando de cierre en el suministro.

Apéndice II. Código de Arduino de la Simulación.

/* CÓDIGO DE SIMULACIÓN: Código implementado en TinkerCad al Arduino UNO para la

simulación del sistema con un sensor de gas,

un sensor de temperatura y una entrada de señal cuadrada. Visualización de las medidas en una pantalla

LCD y alertas por un LED. */


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// ::::::::::::::::: :::::::::::::::::: :::::::::: Librerias ::::::::::::::::::: :::::::::::::::::::: :::::::::::::::::: ::: //

#include <SPI.h> //Libreria para comunicación SPI para LCD

#include <LiquidCrystal.h> //Libreria para la pantalla LCD

LiquidCrystal lcd(5,6,7,8,9,10); //Inicialización de la instancia de LCD

// ::::::::::::::::: :::::::::::::::::: ::::::::::: Variables ::::::::::::::::::: :::::::::::::::::: :::::::::::::::::::::: //

#define R 11 //Pin R del LED RGB

#define G 4 //Pin G del LED RGB

#define B 3 //Pin B del LED RGB

#define Valv 12 //LED indicador del cierre de válvula

int gas_sensor= A0; //Pin sensor concentración de gas

float R0= 16; //Resistencia fija del sensor

float RS_air; //Resistencia del sensor en estado normal

float sensorValue; //Valor en bits de entrada del sensor

float sensor_volt; //Valor en voltaje de entrada del sensor

double ppm; //Valor de la concentración calculada en ppm

int SensorTemp= A2; //Pin entrada del sensor de temperatura

int Limite1 =480; //Limite concentración para el nivel 1 de emergencia

int Limite2 =1000; //Limite concentración para el nivel 2 de emergencia

int Limite3 =2000; //Limite concentraciónpara el nivel 3 de emergencia

int LimiteT1 =30; //Limite temperatura para el nivel 1 de emergencia



volatile int NumPulsos; //Variable para la cantidad de pulsos recibidos

int Flujo = 2; //Generador de señales al pin 2 (simula el flujo)

float factor_conversion=7.5; //para convertir de frecuencia a caudal

float volumen=0; //Inicaliza el valor de volumen en 0

float volumenAcum=0; //Inicaliza el valor de volumen acumulado en 0

long dt=0; //variación de tiempo por cada repetición

long t0=0; //tiempo en milisegundos del estado anterior anterior

//..................................... Función que se ejecuta en interrupción ........................................//

void ContarPulsos ()

{

NumPulsos++; //Incrementamos la variable de pulsos

}

//.................................... Función para obtener frecuencia de los pulsos ..................................//

int ObtenerFrecuencia()

{

int frecuencia;

NumPulsos = 0; //Inicializar el némero de pulsos en 0

interrupts(); //Habilita la interrupción

delay(1000); //muestra de 1 segundo


36

noInterrupts(); //Desabilita la interrupción

frecuencia=NumPulsos; //Frecuencia en pulsos por segundo

return frecuencia; //Devuelve la variable de frecuencia

}

// ::::::::::::::::: :::::::::::::::::: :::::::::::: Setup ::::::::::::::::::: :::::::::::::::::: ::::::::::::::::::::: //

void setup()

{

pinMode (gas_sensor, INPUT); //Establece pin del sensor como entrada

pinMode (SensorTemp, INPUT); //Establece pin del sensor como entrada

pinMode(R, OUTPUT); //Establece pin del LED como salida

pinMode(G, OUTPUT); //Establece pin del LED como salida

pinMode(B, OUTPUT); //Establece pin del LED como salida

pinMode(Valv, OUTPUT); //Establece pin del LED como salida

digitalWrite(Valv, LOW); //Inicializa el LED apagado

Serial.begin(9600); //Incicaliza el puerto serial

lcd. begin(16,2); //Inicializa la pantalla LCD

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("V:");

lcd.setCursor(4,0);

lcd.print("C:");

lcd.setCursor(8,1);

lcd.print("T:");

pinMode(Flujo, INPUT); //Establece pin del sensor como entrada

attachInterrupt(0,ContarPulsos,RISING); //(Interrupcion 0(Pin2),función de

contar,Flanco de subida)

t0=millis(); // se cuentan los milisegundos

delay(200);

}

// ::::::::::::::::: ::::::::::::::::::: :::::::::::: Loop ::::::::::::::::::: :::::::::::::::::: :::::::::::::::::::::: //

void loop()

{

float temp = ((analogRead(SensorTemp) * (5.0/1024))-0.52 )/0.01; //Conversión del vaor enbits leído del

sensor a variable en °C

Serial.println(temp); // Imprime en el puerto serial el valor en °C

delay(200); //

Medir_Gas(); //Ejecuta la función que recibe el valor del sensor y

convierte a ppm

lcd.setCursor(11,1); //Establecer la posición del texto en la pantalla

lcd.print(temp); //Imprime el valor de la variable de temperatura

lcd.setCursor(7,0); //Establecer la posición del texto en la pantalla

lcd.print(ppm); //Imprime el valor de la variable de concentración

delay(200);

if (ppm> Limite1 || temp>LimiteT1) //Condicional alarma informativa para

temperatura y concentración

{


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if (ppm> Limite2 || temp>LimiteT2) //Condicional alarma preventiva para

temperatura y concentración

{

if (ppm> Limite3 || temp>LimiteT3) //Condicional riesgo para temperatura y

concentración

{

analogWrite(R, 255); //Valor en bits de los colores para rojo

analogWrite(G, 0); //

analogWrite(B, 0); //

delay(200);

digitalWrite(Valv, HIGH); //Enciende LED que indica cerrar la válvula

delay(1000); //

}

else

{

analogWrite(R, 255); //Valor en bits de los colores para amarilla

analogWrite(G, 255); //

analogWrite(B, 0); //

delay(200);

digitalWrite(Valv, LOW); // No ejerce acción en la válvula

delay(200);

}

}

else

{

analogWrite(R, 0); //Ligando as portas PWM com valor aleatório de duty

cicle

analogWrite(G, 255);

analogWrite(B, 255);

delay(200);


delay(200);

}

}

else

{

analogWrite(R, 0); //Ligando as portas PWM com valor aleatório de duty

cicle

analogWrite(G, 255);

analogWrite(B, 0);

delay(200);


delay(200);

}

Medir_Flujo(); //Función para calcular flujo y volumen

lcd.setCursor(3,1); //Se establece la posición en la pantalla LCD


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lcd.print(volumen); //Se imprime el valor del volumen

}

void Medir_Gas()

{

float sensor_volt; //Define variable for sensor voltage

float RS_gas; //Define variable for sensor resistance

float ratio; //Define variable for ratio

float sensorValue = analogRead(gas_sensor); //Read analog values of sensor

sensor_volt = sensorValue * (5.0 / 1023.0); //Convert analog values to voltage

RS_gas = ((5.0 * 20.0) / sensor_volt) - 20.0; //Get value of RS in a gas

ratio = (RS_gas / R0)/2; // Get ratio RS_gas/RS_air

ppm= pow((ratio/11.293), (1/-0.351));

delay(200);

}

void Medir_Flujo()

{

float frecuencia=ObtenerFrecuencia(); //Se calcula la frecuencia con los pulsos

contados y el tiempo

float flujo_m3=frecuencia/factor_conversion; //calculamos el caudal en L/m

dt=millis()-t0; // Variación de tiempo

t0=millis();

volumen=volumen+(flujo_m3/60)*(dt/1000); // volumen(m3)=flujo*tiempo

}

Apéndice III. Manual Pedagógico de SigFox.

MANUAL PEDAGÓGICO SIGFOX

1. Descripción General:

SigFox es un proveedor de conectividad dedicado a aplicaciones IoT que brinda una comunicación

bidireccional a través de una red de cobertura global entre su Backend y los dispositivos que se configuran

para tal fin. Esta conectividad esta direccionada específicamente a aplicaciones IoT, de forma que no

solo permita una comunicación inalámbrica y remota, sino que también optimiza el consumo de energía

manteniéndolo en bajo, este servicio permite el envío de un número limitado de mensajes por día y

mensajes de tamaño pequeño de forma que los dispositivos de conectividad no se encuentren en constante

funcionamiento sino únicamente cuando requieran el intercambio de mensajes. Además de esto, también

hace uso de tecnología basado en bandas UNB (Ultra Narrow Band) para realizar una optimización del

canal físico por medio del cual se hace la transmisión de los mensajes de pequeño tamaño.

El funcionamiento de este sistema se da por el uso de módulos configurados específicamente para este

tipo de conectividad y la adquisición de planes de conectividad que se pueden tener por año y que consiste

en un número máximo de mensajes por día y el acceso a la plataforma del Backend desde donde se puede

gestionar, supervisar y configurar los dispositivos que se tengan conectados y su comunicación con ellos

de forma bidireccional.


39

2. Red SigFox:

La red de SigFox se compone de cuatro elementos importantes como son los dispositivos de conexión,

las estaciones base, la nube de SigFox y la plataforma IT del cliente o que tengan directa conexión con

el Cloud. Esta red ofrece cuatro principales beneficios que son la fortaleza de la red, rango amplio,

capacidad de la red y bajo consumo energético.

a. Comunicación:

Esta comunicación se hace de forma bidireccional entre el dispositivo SigFox y el usuario final,

haciendo uso de mensajes Uplink y mensajes Downlink.

• Uplink: Este tipo de comunicación consiste en que el dispositivo que se encuentra conectado

emite un radiomensaje que es recibido no solo por una estación base sino que por el grupo de

estaciones que se encuentren dentro de cierto rango. Todas las estaciones base a las que llega este

mensaje lo retransmiten hasta la nube (SigFox Cloud) y allí el mensaje se duplica y uno de ellos

al usuario final con su plataforma IT.

• Downlink: La cantidad de mensajes de este tipo que se permiten por día son pocos y mucho

menos que los mensajes Uplink para el ahorro de energía. Estos son los mensajes que van desde

el Backend o de la plataforma IT del usuario hasta el dispositivo, pero estos solo son enviados

cuando una solicitud por medio de un mensaje Uplink es realizada.

Las principales características con las que cuenta este tipo de mensajes se encuentran en la siguiente

tabla.

Característica Downlink Uplink

Payload 8 bytes 0,4,8,12 bytes

Modulación GFSK DBPSK

Velocidad 600 bps 100/600 bps

Potencia 22 dBm

Dado que un mensaje Downlink solo puede ser enviado cuando se haga la petición por medio de un

mensaje Uplink, se tienen ciertos beneficios con este funcionamiento, el primero siendo que permite un

ahorro en la batería ya que solo se dará el intercambio de información cuando este programado y por el

momento preciso de transmisión, además de esto brinda seguridad ya que ningún agente diferente al que

se le ha enviado la solicitud podrá enviar mensajes al sistema.

De forma general los mensajes que pueden ser intercambiados a través de la plataforma SigFox tienen

un tamaño entre 0 y 12 Bytes y un máximo de 140 mensajes Uplink y 4 Downlink por día. Estos 12 bytes

permiten el envío de valores como temperatura y variables similares con un rango hasta de 200 con

valores decimales y cierto nivel de precisión en estos, lo que permite el intercambio de variables con el

usuario que puedan ser actualizadas cada cierto tiempo por día y así tener suficiente información sobre

el sistema sin necesidad de estar en constante comunicación.

b. Protocolo de comunicación:

De forma general el protocolo por medio del que se hace esta comunicación entre el dispositivo y la red

SigFox, consiste de 4 principales capas: Application, Frame, MAC, PHY. Dentro de la red de SigFox

entran 3 de las cuatro capas.

• Frame: En esta capa es la parte del proceso de la comunicación en la que se crea la trama y se

pone una secuencia de números que permitan identificar el mesaje y el dispositivo.

• MAC: Esta corresponde a la capa de control de acceso (Medium Access Control) y en esta capa

se agrega un código de autenticación y de detección de errores.


40

• PHY: Esta corresponde a la capa física y es donde se hace la modulación (dependiendo del tipo

de mensaje) y se hace la transmisión a una frecuencia y con una velocidad especifica.

Este protocolo se implementa en los dispositivos de conexión chips y módulos para que sea posible la

modulación y la transmisión de los datos. Las tramas para el envío de la información dependerán del

tamaño del dato que se quiere enviar, para 12 bytes, con los bytes agregados como parte del protocolo

se puede alcanzar un tamaño de 26 bytes, por lo que es un mensaje pequeño, lo que no solo contribuye

al buen funcionamiento de la red, sino que permite reducir el consumo energético en comparación con

otros protocolos.

c. Recursos Físicos:

Para la comunicación se hace uso del recurso físico de radio frecuencia para la transmisión y recepción

de la información. Además de esto, se basa en una tecnología Ultra Narrow Band que permite una alta

eficiencia ya que toma unos pocos Hertz de la banda para la comunicación y además la red no se encuentra

en constante sincronización con el dispositivo, por lo que solo entra en comunicación por medio de la

banda cuando se indique al dispositivo. El uso de este tipo de tecnologías para bandas y menajes pequeños

permiten una gran capacidad y optimización en el uso de recursos para la comunicación.

d. SigFox Cloud:

La nube desde donde se reciben los mensajes enviados de los dispositivos a través de las estaciones base

SigFox Cloud se puede alcanzar por medio de 3 interfaces:

• Portal Web: Por medio de cualquier buscador el usuario puede tener acceso a todas las

funcionalidades de la nube.

• API: La conexión con esta interfaz se hacen por medio de la implementación de las tareas para

“Service Delivery”. Por medio de un Pull Mode es posible ejercer todas las mismas

funcionalidades de un portal web por medio de un código. Esta alternativa permite integrar las

funcionalidades de SigFox Cloud en una plataforma externa.

• Callback: Habilita el recibo automático de nuevos eventos por medio de un Push Mode que

permite obtener los nuevos mensajes del SigFox Cloud.

e. Seguridad:

Para la transmisión de mensajes se hace uso de un método de autenticación por medio de una llave con

un ID específico, esto genera una secuencia única de números para cada mensaje de forma que se pueda

autenticar el dispositivo del que proviene y por parte del dispositivo no se puede saber en qué banda se

va a transmitir. Por otro lado, con el funcionamiento de los mensajes Downlink no es posible el envío

de estos mensajes si no se hace una previa solicitud por lo que el dispositivo no estará en disposición de

recibir ningún mensaje a menos que un mensaje Uplink llegue y que solo podrán ser enviados desde el

dispositivo.

Para la conexión entre las estaciones base y SigFox Cloud se hace uso de una VPN y una encriptación

SSL. La nube esta virtualizada en servidores privados, asegurados y con host en Data Centers, lo que

quiere decir que es segura, robusta y escalable. Para la conexión de las plataformas IT a la nube se hace

por medio de cualquiera de las tres interfaces encriptadas en https.

3. Backend de SigFox:


41

Para la gestión y supervisión del Backend, SigFox cuenta con su propia plataforma por medio de la cual se

tiene acceso a los dispositivos, los usuarios y las API que se puedan conectar a ella. Esta plataforma funciona

con 4 pestañas principales:

• Device: Corresponde a todos los dispositivos que se encuentran configurados y desde donde se

pueden crear nuevos dispositivos, las principales características con las que se configura un

dispositivo son:

✓ Grupo al que pertenece

✓ Identificación

✓ Device type en el que se va a registrar

✓ Ubicación geográfica del dispositivo

• Device Type: Corresponde al tipo de dispositivos que se tienen y se pueden crear nuevos, las

principales características con las que se configura un dispositivo son:

✓ Grupo al que pertenece

✓ Configuración de mesnaje Downlink (Callback o Directo)

✓ Formato de los datos (Payload)

• User: Se pueden visualizar todos los usuarios que se tienen asociados con su respectivo nombre,

email, grupo al que perteneces y el perfil y permisos que tiene.

• Group: En esta pestaña se tienen todos los grupos con los que se cuenta actualmente y también es

posible crear nuevos. Estos grupos se crean para cada uno de las necesidades que pueda tener un

cliente y para cada grupo se puede gestionar la información, los usuarios, los dispositivos, contratos

eventos y acceso desde APIs por medio de diferentes tipos de perfiles.

a. Callback:

En el Backend los callback se asocian a un Device Type y por medio de esto se crean eventos que

definen acciones al recibir un mensaje para un Device Type en específico. Existen varias opciones

con las que cuenta Sigfox para esta tarea, ya sea conectar su Backend con el de otras plataformas

como las de AWS o Microsoft Azure o configurando un callback personalizado. Para la creación de

un callback personalizado, se definen las siguientes características:

▪ Tipo: Esto corresponde al tipo de datos que se quiere enviar (DATA, SERVICE, ERROR) y

si es Uplink o Bidireccional.

▪ Canal: Se selecciona por medio del cual quiere enviarse el mensaje, puede ser por URL o vía

emial.

▪ Receptor: El URL o email al que se debe enviar, el tema y el mensaje a enviar.

b. Gestión del Backend:

Desde la plataforma del Backend de SigFox es posible hacer todas las configuraciones de los

dispositivos, grupos y usuarios requeridos para una aplicación o cliente especifico. Para esto se

deben crear cada uno de estos elementos con las especificaciones que se mostraron anteriormente

de modo que permitan la conexión entre dispositivos y el usuario final. Más adelante se muestra un

ejemplo del proceso de gestión en el Backend para asociar un dispositivo y generar la comunicación.

4. Ejemplo de SigFox:


42

Se realiza la prueba para la recepción de valores de una variable haciendo todas las configuraciones

necesarias en la plataforma del Backend de SigFox. Para esto se hace uso de un módulo EVK de On

Semiconductors que consta de una tarjeta con un emisor y otra con un receptor, el emisor es desde donde se

envían los mensajes y el receptor se encuentra en el edificio Carlos Pacheco Devia (W) de la Universidad de

los Andes. Por medio de las tarjetas receptores se crea una malla para la comunicación, lo que permite tener

un alcance de hasta 8Km entre la tarjeta emisora y la tarjeta receptora. Este ejemplo se expone a continuación

para mostrar el funcionamiento del Backend de SigFox con la transmisión de mensajes.

I. Creación del grupo: Se crea UNIANDES al que asocia el dispositivo de conexión y se configura

con las características mostradas en la siguiente figura.

En este caso este grupo representa la universidad para fines de desarrollos académicos. A este

grupo se asocian los elementos posteriormente expuestos de manera que pertenezcan a este

proyecto creado con el nombre UNIANDES.

II. Se crea un Device Type: Se crea un Device Type llamado On_Semi al que asocia el dispositivo

de conexión.


43

A su vez, se asocia este Device Type con el grupo UNIANDES.

III. Se crea un Device: Se agrega el dispositivo con el nombre “Kiosko” por medio del cual se realizó

la prueba de conexión con SigFox.


44

Para este dispositivo se configuran las características que se muestran en la siguiente imagen y los ID

y del PAC obtenidos del módulo se configuran en el dispositivo para permitir el acceso a la

comunicación.

Dado que se hace uso de un dispositivo verificado por SigFox (hace parte de los partner de SigFox

para kits de desarrollo), es posible seleccionar uno de estos productos certificados en la plataforma

para que lo identifique.


45

IV. Callback: Se crean tres Callbacks asociados al Device Type previamente creado:


46

1. Una función de tipo POST a una URL de dirección IP especifica y de tipo Uplink.

2. Una función de tipo GET, Uplink con la API de “Thingspeak” por medio de una URL.

3. Una función de tipo GET, Bidireccional a una URL.

Para el dispositivo solo se ejecutan los dos primeros Callbacks al recibir mensajes y como se puede

ver en la interfaz para visualización de los mensajes se ve el icono de Callback en color verde

indicando un estado “OK” que quiere decir que ha sido ejecutado en el momento de recibir el mensaje

y se puede ver en detalle las acciones.

V. Mensajes: Para la recepción de los mensajes desde el dispositivo estos pueden ser visualizados

en la pestaña de mensajes del dispositivo como se muestra en la siguiente figura.

Como se puede ver, los mensajes de este dispositivo esán enlistados con los datos del delay, el número

de secuencia, el dato recibido en formato hexadecimal, datos de la estación base desde donde se

enviaron los mensajes, el estado del Callback, ( N/A en gris o OK en verde) y la localización desde

donde fue enviado el mensaje que es donde está el módulo emisor que se encuentra en un lugar


47

cercano al edificio W. Esta variable es enviada cada 7 minutos desde 2019-09-05 18:34:13 hasta

2019-09-05 18:34:13.

5. Integración con el sistema:

Para la integración de este sistema de comunicación con el sistema de medición y adquisición, el modulo

de SigFox es conectado al microcontrolador donde se realiza todo el proceso de lectura y se establece el

envió de la información, por medio del módulo, cuando la acción sea requerida.

Los comandos AT por medio de los que funciona este módulo para la conexión y envío de datos se debe

hacer desde el microcontrolador por medio de una función que se ejecuta periódicamente o en caso de

una emergencia por fugas. Estos comandos AT son proporcionados por el proveedor del módulo como

parte del instructivo de conexión con SigFox cuando este es adquirido además del plan de conectividad.

Apéndice IV. Modelo de los Despliegues.

Mes m3 promedio

Enero 91 Consumo por mes desde EneroFecbrero 116

Marzo 122

Abril 138

Mayo 44 Hasta el 11 Mayo de 2020

Consumo por día hasta 11 Mayo

Consumo

91

116

122

138

44

0 20 40 60 80 100 120 140 160

ENERO

FECBRERO

MARZO

ABRIL

MAYO

m3 Gas Natural

Consumo Ultimos Meses

0

1

2

3

4

5

6

0 2 4 6 8 10 12

Con

sum

o e

n m

3

Día del mes

Consumo en Mayo 2020


48

Nivel de temperatura DÍA

Concentración

(ppm)

Limite de

Control Limite Primera Alarma

Limite Segunda

Alarma

1 300 2500 1000 1500

2 550 2500 1000 1500

3 670 2500 1000 1500

4 580 2500 1000 1500

5 490 2500 1000 1500

6 390 2500 1000 1500

7 400 2500 1000 1500

8 500 2500 1000 1500

9 600 2500 1000 1500

10 487 2500 1000 1500

11 680 2500 1000 1500

12 690 2500 1000 1500

13 700 2500 1000 1500

14 720 2500 1000 1500

15 680 2500 1000 1500

16 590 2500 1000 1500

Nivel de concentración 17 490 2500 1000 1500

18 680 2500 1000 1500

19 730 2500 1000 1500

20 800 2500 1000 1500

21 680 2500 1000 1500

22 450 2500 1000 1500

23 600 2500 1000 1500

24 610 2500 1000 1500

25 715 2500 1000 1500

26 613 2500 1000 1500

27 780 2500 1000 1500

28 765 2500 1000 1500

29 698 2500 1000 1500

30 701 2500 1000 1500

POMEDIO MENSUAL 611,3

Estado Sistema

18

20

22

24

26

28

30

32

0 5 10 15 20 25 30

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Días del mes

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

Co

nce

ntr

ació

n p

pm

Dias del mes

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Limite


49

DÍA Flujo (m3) Concentración (ppm) Temperatura (°C) Flujo (m3) Concentración (ppm) Temperatura (°C) Flujo (m3) Concentración (ppm) Temperatura (°C)

1 2,5 300 27,5 4,5 550 22,3 4 690 23,4

2 2,6 550 28 3,8 600 25 3,8 670 22,7

3 4,8 670 25 3 740 27 3 690 21,7

4 2 580 24,5 2,5 805 26,5 3,5 780 21,5

5 4 490 23 2 409 27 2 791 21,5

6 3,5 390 22 3 509 25 3 720 20,8

7 2,5 400 25 4 560 26 3 801 20,6

8 2,6 500 26,7 3,5 560 27 3,5 876 20,6

9 4,8 600 27,6 4,5 609 27 4,5 678 23,4

10 2 487 28,5 5,5 490 27,8 4,5 498 21,9

11 3 680 25 5 499 28 5 599 20,6

12 3,5 690 24 2,5 400 23,4 5,5 790 23,8

13 2,5 700 23 4,5 590 22,3 4,5 690 22,5

14 2,6 720 29,6 3,5 800 21,8 4,5 804 22,6

15 4 680 28,2 3 790 22,3 3 830 21,7

16 2 590 27,5 3,5 690 22,8 6,5 820 21,5

17 3 490 28 5,5 689 23,8 5,5 816 22

18 3,5 680 22 4,3 590 24,2 4,3 860 23

19 2,5 730 25 3,5 800 24,8 3,5 860 22

20 2,6 800 27 6 830 25,2 6 860 21

21 4,8 680 27,5 3,5 810 24,5 3,2 860 20

22 2 450 28 3 690 23,4 3,7 860 21,2

23 3 600 29 3 820 22,4 3 690 22,3

24 3,5 610 27 3,8 830 28 4,8 690 23

25 2,5 715 22 5 890 29 5 690 20,9

26 2,6 613 20 4,5 780 28,7 4,2 790 23,6

27 4 780 21,5 2 790 29 2 790 22

28 2 765 20,9 4 860 29 4 790 21,4

29 3 698 28,3 4,6 870 23 4,6 790 20,6

30 3,5 701 23,6 4,5 850 24 4,5 790 21,6

91,4 611,3 25,49666667 115,5 690 25,34 122,1 762,1 21,84666667

Promedio 4

mediciones

cada una

con 6

Enero Febrero Marzo

POMEDIO MENSUAL


50

Flujo (m3) Concentración (ppm) Temperatura (°C) Flujo (m3) Concentración (ppm) Temperatura (°C)Limite Maximo Prom temp

5 650 23,5 5 678 27,5 1500 25,28957576

3,8 650 25 3,8 498 28 1500 25,28957576

2 650 27 2 599 29 1500 25,28957576

3,5 650 23,5 3,5 790 27,5 1500 25,28957576

4 650 25 4 690 28 1500 25,28957576

5 870 22 5 804 27,5 1500 25,28957576

5 870 25 5 830 28 1500 25,28957576

4,5 870 23 4,5 820 29 1500 25,28957576

2,5 870 24,6 2,5 678 27,5 1500 25,28957576

3,5 870 20,9 3,5 498 28 1500 25,28957576

5 790 26,5 5 599 27,5 1500 25,28957576

6,5 790 24,7 1500 25,28957576

4,5 790 22,9 1500 25,28957576

4,5 790 21,9 1500 25,28957576

5 790 23,5 1500 25,28957576

6,5 769 22,8 1500 25,28957576

5,5 769 28 1500 25,28957576

5,3 769 29 1500 25,28957576

5,5 769 27,5 1500 25,28957576

6 769 28 1500 25,28957576

4,2 769 27,5 1500 25,28957576

4,7 680 28 1500 25,28957576

3 680 29 1500 25,28957576

4,8 680 27,5 1500 25,28957576

5 680 28 1500 25,28957576

4,2 680 27,5 1500 25,28957576

4,7 550 28 1500 25,28957576

5 550 29 1500 25,28957576

4,6 550 27,5 1500 25,28957576

4,5 550 28 1500 25,28957576

137,8 725,4666667 25,81 43,8 680,36 27,95454545

Abril Mayo


51

Apéndice V. Diagramas.

Ilustración 17. Diagrama de flujo para la variable de flujo.


52

Ilustración 18. Diagrama de flujo para las variables de concentración y temperatura.


53

Ilustración 19. Esquemático de la simulación en TinkerCad.

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SISTEMA DE SEGURIDAD Y GESTIÓN PARA GAS DOMICILIARIO