Comunicación presentada al V Congreso Edificios Inteligentes
Autores
- Olivia Florencias Oliveros. Investigadora. Dpto de Ingeniería Automática, Electrónica, Arquitectura y Redes de Computadores. Grupo de Investigación TIC 168. Universidad de Cádiz.
- Aldo Esteban Florencias Puerto. Ingeniero Industrial. DF Duro Felguera.
- Juan José Gonzalez de la Rosa. Grupo de Investigación TIC 168 en Instrumentación Computacional y Electrónica Industrial.
- Agustín Aguera Pérez. Grupo de Investigación TIC 168 en Instrumentación Computacional y Electrónica Industrial. Universidad de Cádiz.
Resumen
La propuesta se centra en el desarrollo de un proyecto de monitorización y Nodo IoT de un nuevo hotel inteligente en la ciudad de Granada. A partir de este proyecto se propone un análisis de algunas de las principales líneas de investigación relacionadas con la monitorización de edificios inteligentes, concretamente en los hoteles. El proyecto integra diferentes sistemas IoT basados en la tecnología Libelium, con los cuales se plantean estrategias de monitorización tanto a nivel urbano como en el interior de la edificación. Además, el proyecto de monitorización para la nueva edificación inteligente incluye los requisitos para su consideración como nodo IoT según la Norma UNE 178104. Esta iniciativa de Smart Hotel se enmarca dentro de las necesidades de los destinos turísticos inteligentes y los retos que deberán asumir las ciudades futuras, Smart Cities.
Palabras clave
Smart City, Smart Buildings, Smart Hotel, IoT, Sensors, Building Information Modeling (BIM), Monitorización, Redes de Sensores, Ciclo de Vida de la Edificación (LCM), Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IED)
La monitorización en la Smart City
La ciudad inteligente (Smart City) demanda cada día más el uso de nuevas tecnologías basado en sistemas de monitorización que permitan evaluar variables sensibles, contrastar esta información con los sistemas a nivel de ciudad o distrito, y extraer la información que tanto gobierno, ciudadanía, clientes, empresas, demandan en el cada vez más complejo ecosistema digital [1].
El paradigma de Smart building basado en la “inteligencia” entendida como la capacidad de integrar nuevas tecnologías de monitorización en la edificación, permite expandir el concepto del edificio como un organismo vivo [1], adaptable al entorno de la Smart City, siendo capaz de comunicarse con la red, extraer información, llevando a cabo operaciones de control y de predicción. Se estima que para 2020, habrá más de veinticinco millones de dispositivos que se conectarán a través de comunicaciones inalámbricas [2]. Los sensores y actuadores contribuyen a garantizar un funcionamiento eficiente de los sistemas en la edificación reduciendo los costes operativos. La integración y procesado de la información de las edificaciones, ubicación, tipologías, número de ocupantes, entre mucha más información extraída de la monitorización mediante sensores optimizará la gestión de la Smart City fundamentada en el aprendizaje y un entorno cada vez más predictivo [3]. Sin embargo, la gestión de esta gran cantidad de datos provenientes de las redes de sensores, permitiendo hacer trazable la información e integrando diferentes tecnologías, sigue siendo el gran reto de investigadores y empresas [4].
Los investigadores se han centrado en proponer nuevas tecnologías relacionadas con la infraestructura de medición avanzada y medidores inteligentes que ayudan a resolver la inteligencia en los edificios y sus enlaces de comunicación con la empresa de servicios públicos. La reciente normativa, UNE 178104 [1], establece las bases sobre las cuales la edificación se erige como unidad funcional y de servicios dentro del contexto de la Smart Grid, en este caso se evalúan las prestaciones de los edificios inteligentes como Nodo IoT.
La monitorización inteligente es una estrategia tanto para el ahorro de energía como para el control automatizado del funcionamiento de los edificios y de muchos más parámetros que garanticen la eficiencia y eficiacia durante todo el ciclo de vida de la edificación (LCM). En este sentido, el Building Information Modeling (BIM) ayuda a integrar la información del diseño inicial en el modelo del futuro edifico, ayuda en el mantenimiento y la toma de decisiones a partir de la información que proviene desde la fase de diseño. Algunos investigadores están proponiendo nuevos métodos para integrar BIM y la información proveniente de las redes de sensores para lograr diseños constructivos mucho más sostenibles y eficientes [5][6]. La introducción de información en tiempo real proveniente de los dispositivos de monitoreo es de gran utilidad para comparar con las variables más comunes generadas por el software en la fase de diseño: parámetros meteorológicos, información de contexto, número de usuarios y demás parámetros de interés.
Garantizar la trazabilidad de la información previamente concebida en el modelo BIM concretándose en soluciones que permitan realizar los diferentes proyectos de monitorización e integración de los dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) desde la fase de diseño, sigue siendo aún un reto en la Smart Grid [5].
Los bajos precios alcanzados por los componentes electrónicos en la última década han reducido el costo de los dispositivos de monitoreo. La continua evolución de las nuevas tecnologías, como los dispositivos electrónicos inteligentes (IED), los medidores inteligentes, el software y las telecomunicaciones, facilita cada vez más el acceso a los datos. Sin embargo, se debe seguir utilizando la instrumentación convencional, como los sistemas SCADA, los relés y los analizadores de calidad de energía añadiendo nuevos medidores inteligentes y desplegando nuevas funcionalidades en los edificios.
Existen diferentes soluciones de medición y monitoreo de bajo costo que ayudan a reducir el costo-beneficio de la medición inteligente en más y más edificios inteligentes. Es posible observar que cada vez es más frecuente el uso de redes inalámbricas ad hoc como Zig Bee o Wifi. Este tipo de red permite la adhesión de nuevos dispositivos, solo por estar en el rango de un nodo que ya pertenece a la red establecida. Este es un tema importante cuando tenemos que elegir el equipo de monitorización y la tecnología que se usará dentro de las funcionalidades de los edificios inteligentes. Algunos de los problemas más comunes para seleccionar la tecnología a emplear en los proyectos de edificios inteligentes pueden ser:
- Precisión de los sensores
- Selección de parámetros de medición (intervalos de tiempo especificados)
- Transferencia y almacenamiento de datos
- Consumo de los dispositivos
- Protocolos de comunicación
- Formatos de datos
Además, es de vital importancia la localización de los sensores [2], la calibración in situ de los sensores para operaciones de monitorización en tiempo real, evitando efectos tales como la redundancia de los sensores, determinando la calidad mínima de los sensores a emplear de acuerdo al número de ocupantes, equipos, tipo de local a monitorizar y demás cuestiones [3].
En el caso del proyecto de monitorización propuesto se abordan las soluciones de comunicación a través de la tecnología wifi y una plataforma de integración de la tecnología Libelium, dada la flexibilidad de dicha tecnología para integrarse en la edificación, solucionando muchas de las cuestiones que plantea la normativa para su concepción como Nodo IoT [1]: Conectividad y comunicaciones, almacenamiento, procesamiento de datos, sandboxes, dando la posibilidad de despliegue de aplicaciones de ciudad, seguridad del nodo tanto software como hardware, gestión y provisión de SW.
Los hoteles son infraestructuras que pueden estar potencialmente integradas en el contexto de la Smart City. En el caso de la propuesta, se plantea como un Nodo IoT inicialmente no conectado al sistema de la Smart City pero que en un futuro podrá integrarse a ésta, dado que ha sido concebido así desde la etapa de diseño. Además, en el caso de los hoteles que ofrecen servicios estos podrían conectarse con otras edificaciones de la misma empresa o tipología funcional.
El Proyecto: Monitorización Hotel Carmen de la Vega
El solar se encuentra en la Calle Camino Real de los Neveros S/N, límite de la ciudad de Granada con la Vega Sur y la localidad de Huétor Vega. Nombre del Proyecto: El Carmen de la Vega.
El proyecto, constituye una oportunidad para intervenir en el deteriorado borde urbano de la Vega Sur de Granada. El emplazamiento del hotel redefine el skyline hacia la vega y el territorio metropolitano, dotando al conjunto de soluciones innovadoras tanto a nivel constructivo como tecnológico.
La propuesta surge de los condicionantes previos que responden a dotar a este espacio urbano de un equipamiento a nivel de ciudad, y las oportunidades de los elementos que componen el paisaje, así como el reto que supone en el programa un hotel inteligente que incorpore la integración de diferentes sistemas IoT basados en la tecnología Libelium. La estrategia de monitorización inteligente tiene un impacto significativo en todas las fases del ciclo de vida de la edificación, desde la optimización del diseño en la fase de proyecto, las operaciones de gestión y posteriormente,
en la fase de explotación, permite extraer información valiosa relativa a la experiencia de los ocupantes, que posteriormente servirá para generar nuevas soluciones y productos turísticos.
El hotel funciona como un edificio autosuficiente que se inserta en el solar mediante diferentes bloques funcionales resueltos con cubiertas verdes, con el objetivo de recuperar en lo posible la ladera y rescatar soluciones de la arquitectura tradicional granadina, la ciudad en ladera, a modo de un Carmen. Los espacios se adecúan a las necesidades de un hotel de categoría 4 estrellas, resuelto en 4 plantas. Se ponen en contraste los planos verdes de las cubiertas, a modo de cubiertas verdes ajardinadas, y el ritmo de las fachadas, con las diferentes torres que hacen las veces de espacios públicos, conectores de circulación vertical.
En las soluciones previstas para las diferentes zonas de la edificación, tanto estructuralmente, como materialmente, se ha optado por un sistema eficiente a efectos de reducir costes, tiempos de ejecución y almacenamiento. Refrescar de modo sostenible, sirviéndonos de la tierra como elemento fundamental del solar y los elementos constructivos. Se han utilizado elementos prefabricados y sistemas industriales para su montaje, evitando de este modo acabados innecesarios y resaltando la plasticidad de los materiales, terminaciones pétreas, en contraposición con el carácter flexible del conjunto. Es así como se minimizan los residuos y se reduce la afectación de las obras en el entorno.
El proyecto analiza las distintas soluciones de monitorización implementadas en el Smart Hotel, haciendo especial énfasis en el cumplimiento del proyecto de la nueva edificación inteligente para su consideración como un futuro nodo IoT según la Norma UNE 178104. Las soluciones a nivel del Proyecto comprenden toda la instalación de diferentes subsistemas de monitorización de acuerdo a variables que se quieren monitorizar tanto en el exterior como hacia el interior de la edificación.
Materiales y Métodos
La instalación constará de diversas plataformas de sensores Waspmote Plug & Sense! Conectadas al Meshlium IoT Gateway que estará ubicado en la zona del edificio central, bloque administrativo, en la zona de IoT en el interior del edificio (Figura 2).
Se monitorizan diversos parámetros tanto exteriores como interiores como pueden ser: sensores para monitorizar los niveles de ruido y controlar la contaminación acústica en el entorno. Además, se miden los niveles de contaminación con sensores de O3, CO, SO2 y NO2 y material particulado con sensores de medición polvo. A modo general, se controlan condiciones climáticas como la temperatura, la humedad o la presión.
Para el control de los espacios interiores se incorporan diversas soluciones como son: control de ambiente con sensores de luminosidad, Smart Parking para detectar las plazas disponibles u ocupadas en el parking, sistemas eficientes de calefacción, HVAC, demanda de energía, entre otros.
A continuación, se presenta la configuración de los equipos incluidos en el proyecto para la monitorización de las variables definidas en la fase de diseño.
La configuración de las soluciones Waspmote Plug and Sense incluyen: Smart cities, Smart Parking, Monitoreo de gases, calidad del agua Plug and Sense, cada una incluye sus sensores. La comunicación será a través de tecnologías de radio: 802.15.4 y WiFi, 4G. Además, se incluye la posibilidad de establecer una red futura con LoRaWAN. Los protocolos industriales empleados podrán ser: RS-485, 4-20 mA, Modbus, CAN Bus, Receptor GPS. La alimentación de los módulos localizados en el exterior será a través de energía solar, con paneles externos. Se empleará SDK de código abierto y API, Programación por aire (OTAP). Incluye una interfaz de programación gráfica e intuitiva: Programación Cloud Service, así como toma de SIM externa para modelos 4G.
En el caso del Meshlium, este incluye un multiprotocolo IoT gateway. Usa hasta 4 radios al mismo tiempo, con conectividad: Ethernet, WiFi, 4G, 802.15.4, RF 868/900, 8 GB de almacenamiento interno, Base de datos MySQL en marcha y funcionando, una Interfaz de administrador web. Los protocolos de seguridad (WPA-PSK / HTTPS). Además, la toma de SIM externa, receptor GPS.
Resultados
El objetivo final es proponer una solución integral que combine las soluciones de intervención de la arquitectura tradicional tanto a nivel urbanístico como a nivel de la edificación con otro tipo de soluciones de tipo tecnológicas, en la incorporación de una red de sensores que permita pronosticar, predecir y optimizar las distintas operaciones del hotel inteligente en la ciudad de Granada (Figura 3).
En concreto la red propuesta en el Smart Hotel incluye características que permitirán que el sistema sea:
- Capaz de interactuar con todos los elementos monitorizados en el interior del edificio: sensores, actuadores estableciendo medidas para los servicios básicos de control de variables, alarmas técnicas, sensores de infraestructura, etc.
- Capaz de interactuar con los sistemas y redes privadas del edificio.
- Capacidad para interactuar con el resto de los elementos de la ciudad, siempre que la empresa así lo acuerde con la administración correspondiente, ofreciendo servicios de monitorización de datos ambientales, así como de comportamientos de ocupación y demás variables relevantes en el sector turístico.
En general se destaca de la propuesta su capacidad de:
- Interoperabilidad, soportando distintas tecnologías, dispositivos y mecanismos de captura de información, así como estándares de comunicación, internos y externos.
- El sistema será capaz de operar a la misma vez múltiples dispositivos y servicios.
- El sistema es escalable, en cuanto que empleando la tecnología Libelium se podrán introducir nuevas soluciones modulares capaces de interactuar con la red sin tener que modificar la arquitectura del sistema.
- La tecnología empleada garantiza la seguridad y resilencia del sistema de monitorización.
- En la fase de integración como Nodo IoT en la Smart City, se prevee que con esta tecnología el sistema será flexible pudiendo acometer acciones de recuperación ante los fallos que puedan afectar su disponibilidad. Además, integrado a la Smart City el nodo será extensible y dará soporte a nuevas necesidades.
- Se emplean protocolos abiertos y estandarizados que facilitan las comunicaciones y garantizan una fácil gestión y operaciones de mantenimiento.
Conclusiones
La propuesta plantea el desarrollo del proyecto de monitorización del hotel inteligente, Hotel Carmen de la Vega. Se realiza un análisis de las cuestiones más relevantes y las posibles soluciones que debe acometer dicho proyecto para garantizar los requisistos de un Smart Building dentro de la Smart City. Los requisitos de nodo IoT según la Norma UNE 178104 se acometen mediante el uso de la tecnología Libelium y el planteamiento de una arquitectura de red que dé solución a diferentes subsistemas funcionales y de servicios como parte de la monitorización.
En el contexto de la Smart Grid se hace necesario gestionar cada vez más los datos provenientes de los sensores desde las etapas de diseño con mayor precisión mediante proyectos de monitorización, así como preveer la integración de éstos desde la fase de modelos BIM. Integrar la información que proviene de Internet of Things (IoT), sensores, con herramientas de modelado computacional tipo CAD son herramientas imprescindibles para lograr una mejor gestión del ciclo de vida (LCM) de los edificios en las redes de servicios públicos inteligentes.
Referencias
[1] Ciudades Inteligentes: Requisitos de los edificos inteligentes para su consideración como nodo IoT según la norma UNE 178108,” 2017.
[2] K.S. Cetin and Zheng O’Neill, «Smart Meters and Smart Devices in Buildings: a Review of Recent Progress and Influence on Electricity Use and Peak Demand»,Curr. Sustain. Energy Reports, 2017.
[3] M.W. Ahmada, M. Moursheda, D. Mundowb, M. Sisinnic, and Y. Rezguia, «Building energy metering and environmental monitoring – A state-of-the-art review and directions for future research», Energy and Buildings, 2016.
[4] D. Cheng, W.Golab, and P.A.S Ward, «Efficient Incremental Smart Grid Data Analytics», in CEUR Workshop Proceedings, 2016.
[5] S. Habibi, «The promise of BIM for improving building performance», Energy Build, 2017.
[6] T.Gerrsih, K. Ruikar, M Cook, M. Johnson, M. Phillip, and C. Lowry, «BIM application to building energy perfomrance cisualisation and managemente. Challenges and potential», Energy Build, 2017.