Comunicación presentada al V Congreso Edificios Inteligentes
Autor
- Antonio Martínez, Director Desarrollo, WiWater
Resumen
¿Cuántos millones de litros de agua se están perdiendo en este momento? La respuesta puede resultar muy inquietante. El Director de Desarrollo de WiWater lleva 20 años dedicándose a la administración de fincas residenciales en la provincia de Alicante. Es socio de una empresa con tres oficinas, trece personas en el equipo y más de 18.000 fincas administradas. Pero hace 2 años se dio cuenta que podía alinear su gran pasión junto con un gran problema de sus clientes. Su pasión: la innovación y la aplicación de la tecnología en el día a día, y el gran problema de sus clientes: la gran cantidad de dinero que pagaban por fugas de agua. El resultado es el gran ahorro en euros y en millones de litros de agua conseguidos en tan sólo un año. Su obsesión por resolver este grave problema económico y medioambiental por el derroche del agua (más si cabe en la zona de Alicante), le inspiró a desarrollar un dispositivo de IoT para gestionar eficazmente el consumo de agua en las comunidades de propietarios, principalmente con jardín y/o piscina, junto con el análisis de los datos obtenidos, con el fin de establecer curvas y patrones de comportamiento, alertando de esta forma de consumos anormales.
Palabras clave
Comunidades de Propietarios, IoT, LPWAN, Big Data, Fugas, Agua, Ahorro, Medioambiente
Problemática en las comunidades de propietarios con el consumo de agua
En estos 20 años de administrar fincas, he vivido con frustración cómo los clientes pagaban cantidades ingentes de euros por fugas de agua en sus instalaciones, y lo que es peor, cómo toda esa agua se perdía sin poder ser aprovechada.
El problema es que las empresas suministradoras de agua, no se responsabilizan ni se preocupan por las fugas internas en las comunidades de propietarios. Las facturas llegan al administrador de fincas cada trimestre y en algunos casos cada mes, pero si ha existido una fuga no visible durante ese trimestre o mes, hasta que no llega la factura no se es consciente de la fuga, y el daño puede llegar a ser muy importante.
Esto puede implicar varios efectos negativos para el cliente final (comunidad de propietarios) y el propio administrador de fincas.
La comunidad de propietarios tendrá que soportar un gasto extraordinario no previsto, que conlleva una desviación presupuestaria en ese ejercicio económico, y con mucha probabilidad, una emisión de una derrama extraordinaria para cada propietario. Esta circunstancia es muy dolorosa para el propietario, ya que se tiene que enfrentar a un desembolso extra, sobre un gasto que no ha podido disfrutar (fuga de agua), provocando insatisfacción.
Para el administrador de fincas también es una circunstancia adversa, ya que le provoca ver con frustración como no puede reaccionar antes de que el daño y el perjuicio ya se haya producido. Además de la carga de trabajo que supone para su empresa el gestionar esta incidencia, emisión de más recibos, más morosidad asociada a esta emisión, etc.
Hasta la fecha existen sistemas de control de consumos en el sector industrial y agrícola, ya que las empresas tienen claro que cualquier pérdida de agua en su sistema, puede provocar unos resultados negativos en sus cuentas anuales. Pero estos sistemas son demasiados costosos para una comunidad de propietarios, ya que la mentalidad no es la misma que un empresario, tiende a ser más reactiva que proactiva. A esto se añade la dificultad que estos sistemas industriales se limitan a medir los flujos de agua, pero no han trabajado en las curvas de consumos en el sector residencial, por lo que un dato de consumo por sí sólo no es válido si no es comparado con un patrón de comportamiento estándar para cada comunidad de propietarios.
“Ladrones” del agua
Los “Ladrones” del agua son todas aquellas circunstancias que provocan una pérdida de agua en una instalación en elementos comunes de una comunidad de propietarios. Estas fugas son mucho más frecuentes y tienen más representatividad cuando existen elementos comunes con jardines y/o piscina.
La problemática de estos “Ladrones” es que los daños no suelen ser visibles, y por lo tanto no se pueden detectar a simple vista.
Principalmente son:
- Roturas no visibles de tuberías enterradas
- Filtraciones de agua en vasos de piscinas
- Fugas en llenados automáticos de piscinas, Jacuzzis o fuentes
Descripción de la solución
La solución que aquí se plantea se recoge con el nombre de WiWater, en la cual se engloba un dispositivo que se instala en la comunidad de propietarios, con uno o varios sensores de caudal, gestionados por una placa que procesa la información y la envía a través de una red LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), a un servidor web programado en PHP que convierte esta información en un fichero CSV para su posterior tratamiento en cualquier estándar de cálculo. Se ha elegido la conectividad LPWAN ya que las comunidades de propietarios no suelen tener infraestructura de telecomunicaciones propia para conexiones WIFI, y además por las características que se describen a continuación.
Conectividad IoT
LPWAN es un sistema de comunicaciones especialmente diseñado para aplicaciones de IoT. Permite el envío y recepción de mensajes cortos (12 bytes) desde dispositivos diversos hacia y desde la red LPWAN. La cobertura de la red es muy amplia, con cobertura en buena parte de Europa, y también en zonas de América y Asia.
La red funciona con la tecnología de transmisión UNB –ultra narro band– y consiste en emplear canales estrechos del espectro para alcanzar grandes distancias con un requerimiento mínimo de energía.
El funcionamiento de esta red es muy similar a las redes de telefonía celular debido a que esta red funciona a partir de la colocación de varias estaciones receptoras y transmisoras; la diferencia entre las estaciones LPWAN y las de telefonía celular es en que los dispositivos y sensores que estén conectados a la red LPWAN no están sujetas a una sola estación base específica, esto es, cualquier estación puede recibir la información y transmitirla hacia la nube.
La banda pública empleada para el intercambio de mensajes en LPWAN es en 200 kHz y en la que cada mensaje tiene un ancho de 100 Hz y puede ser transmitido a una de tasa desde 100 bits hasta 600 bits –esas tasas varían de acuerdo al país en donde se encuentre. Además, esta red emplea las bandas bidireccionales de radio sin licencia ISM (industrial, scientific and medical radio bands), las cuales son bandas usadas para usos múltiples excepto para telecomunicaciones- en Estados Unidos de 902 MHz y en Europa de 868 MHz.
La seguridad es muy importante en esta red por lo que cada dispositivo tiene asignado un código de identificación, cuenta con protocolos de encriptamiento VPN y emplea al final el protocolo https.
Sensores y hardware
Sensores
Se han utilizado sensores de caudal de efecto hall y un pequeño imán que activa el sensor al fluir líquido por el interior del dispositivo.
Las características que se ha utilizado han sido las siguientes:
Raspberry Pi Zero W
El sistema se ha desarrollado utilizando como base un miniordenador Raspberry Pi, en concreto la Pi Zero W, aunque sería fácilmente portable a otros modelos de Raspberry o incluso otras plataformas distintas.
La elección vino determinada por la popularidad de la plataforma, la amplia disponibilidad de librerías ya disponibles, su interfaz de GPIO para conexiones a sensores y su facilidad de conexión a internet vía conector ethernet o Wifi, incluida en la placa.
Placa interfaz
Para facilitar la conexión con los sensores, se ha diseñado una pequeña placa interfaz o “hat”, de tamaño reducido y que se conecta a los pines del interfaz GPIO de la Raspberry.
Análisis de Datos
Patrones de consumo
Como se ha comentado anteriormente, un dato por sí sólo no tiene ningún interés si no es comparado con un patrón de comportamiento de consumo, con el fin de detectar consumos anormales y disparar alertas. Para aproximar los patrones de consumos por cada instalación se utilizaron las siguientes muestras de datos:
- Histórico de consumos de agua, solicitado a la suministradora, de los últimos años de 8 comunidades de propietarios (varios contadores). Tamaño de la muestra: 300 registros.
- Durante 18 meses se han registrado los consumos de agua, con periodicidad semanal de un total de 8 comunidades (varios contadores), a través de la lectura de los contadores de la suministradora. Tamaño de la muestra: 1008 registros.
- Durante 6 meses se han registrado los consumos de agua, cada 15 minutos, en tres comunidades de propietarios, a través de dispositivo IoT – WiWater. Tamaño de la muestra: 51.840 registros.
Tipos de patrones de consumos
A partir de las muestras de datos, se han confeccionado patrones de consumos a distintos niveles:
- Mensual, m3 de agua que se consumen en cada mes del año.
- Semanal, m3 de agua que se consumen en cada número de semana del año, en total 52.
- Diario, m3 de agua que se consumen en cada día de la semana de cada semana descrita en el nivel anterior, es decir, el lunes de la semana 35 podrá ser diferente al lunes de la semana 36.
- Por horas, m3 de agua que se consumen en cada hora, dentro de cada día de la semana, en cada semana del año.
Método
Todos los patrones de consumos están plasmados en matrices, que son la base de comparación con los datos de consumos actuales.
Los dispositivos envían la información cada 15 minutos, éstos se registran en la base de datos, y se realizan comprobaciones de los datos cada tres horas, mediante scripts programados en Java. Y dependiendo de si se cumplen varias condiciones, es cuando se dispara una alerta.
Algoritmo de alertas tempranas
En este punto está la clave del éxito de todo el sistema. Algunos ejemplos de los algoritmos que disparan las alertas son los siguientes:
- Desviación por horas: Si se produce un desvío prolongado de más de 12 horas de un aumento 50% sobre la hora inmediatamente anterior a la desviación.
- Desviación por días y horas: Si se produce un desvío de más de un 20 %, en la misma hora que en el día anterior.
- Desviación por días de la semana: Si se produce un desvío superior al 15 % en el total del día, respecto al mismo día de la semana de la media de las últimas 2 semanas.
Disparadores
Cuando se cumplen varios de los resultados de estos algoritmos, se producen las alertas programadas en web, a través de SMS y/o email a los destinatarios que el usuario decida. Se recomienda alertar a la empresa que se encarga del mantenimiento de la finca con el fin de aminorar el daño lo antes posible.
En breve se incorporarán electroválvulas en las instalaciones de las comunidades de propietarios, para el cierre del agua de forma telemática y automatizada en caso de detectar consumos anormales.
Big Data
El volumen de datos que se empieza a manejar no es escalable con cálculos estadísticos básicos. Por eso se está trabajando en estos momentos, con expertos en análisis de datos de grandes volúmenes, para patentar un algoritmo que extrapole cualquier patrón de comportamiento en función de algunos datos de cada finca, como son el número de propiedades, m2 de lámina de agua de la piscina, m2 de zonas ajardinadas y localización geográfica.
El método que están utilizando los expertos en Big Data para desarrollar este algoritmo son los árboles de regresión.
Resultados
Se aprecia que existe gran diferencia en volumen entre unas fugas y otras, aunque es significativo que una fuga en una cisterna de una casa consuma 90.000 litros en un mes.
Conclusiones
En este proyecto se presenta una misión: “La conservación, concienciación y optimización del agua como recurso natural valioso y escaso, a través de la sensorización de las fincas y los patrones de comportamiento de consumo, ya que se sabe dónde, cuándo y cómo se pierde el agua en el sector residencial”.
La media de ahorro por comunidad de propietarios y año, aplicando un sistema de gestión eficaz como se plantea aquí, es de unos 2,5 millones de litros, es decir, 2.500 m3/año.
Si extrapolásemos estos resultados, con un índice corrector del 50% (por ser prudentes), a 100 comunidades, el resultado sería de un ahorro de 125.000 m3 de agua, el equivalente a 50 piscinas olímpicas. Toda esta agua se está despilfarrando sin control ni gestión.
La propuesta de este proyecto es llegar al máximo de puntos de suministro de agua en el sector residencial, y para ello los costes de instalación y mantenimiento deben ser acordes a lo que los clientes estén dispuestos a pagar por ello.