El presente artículo mostrará la aplicación de sensores inalámbricos, basados en esta tecnología en continua evolución, por su facilidad de uso, la reducción en costos de instalación y el mejor desempeño que se logra comparado con los sensores convencionales utilizados hoy en día en la industria HVAC.
Ing. Gerardo Sánchez Castillo
En la siguiente figura se muestra el rápido crecimiento mundial de equipos en general que utilizan tecnologías inalámbricas, por lo que se espera para el año 2008, aproximadamente la mitad de los sensores de cuarto que se produzcan sean inalámbricos (fuente Frost&Sullivan).
| Equipos LAN inalámbricos embarcados mundialmente, 2001-2007 |
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¿Por qué es necesario controlar los Sistemas HVAC?
En general, en los edificios la inversión inicial del sistema de aire acondicionado no llega a ser mayor del 1 al 5% de la inversión total en la construcción del mismo; pero esta situación se invierte en forma dramática cuando comienza a operar y entonces el consumo mensual de energía eléctrica debido a la operación del sistema de aire acondicionado, es de entre 30 al 60% del total dependiendo del tipo de edificio que se trate.
El sistema de control se requiere para mantener dentro del valor deseado las variables (temperatura, humedad relativa, presión) que en la etapa de diseño del sistema HVAC (equipos mecánicos de Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado) se determinaron necesarias de controlar. También se requiere que el consumo de energía del sistema se mantenga en el menor nivel posible y además monitoreado para que cualquier desviación sea comunicada a los encargados de su operación.
¿Qué es controlar?
Controlar es llevar una variable a un valor donde sea útil, esto es que una variable como puede ser temperatura, humedad relativa, presión estática, entre otras, y queremos mantenerla dentro de los límites necesarios para el confort humano o bien para un proceso determinado.
Vamos a analizar un sistema físico y a controlar una vez que estemos familiarizados y se pueda utilizar una unidad manejadora de aire en la que vamos a controlar la temperatura de descarga manipulando la posición de un actuador acoplado a una válvula para dejar pasar una mayor o menor cantidad de agua helada por un serpentín, y donde tenemos:
Variable Medida: Temperatura de descarga (también señal de realimentación).
Variable a Controlar: Temperatura de descarga
Variable a Manipular: Flujo de agua a través de la posición del actuador de válvula.
Punto de Ajuste (Set point): Valor deseado de temperatura de descarga.
El controlador requiere medir el valor real de la variable a controlar y compararlo con el punto de ajuste deseado para que a partir de esta diferencia pueda calcular qué posición debe tener la válvula de agua helada y con esto permitir que el intercambio en el serpentín entre el agua helada y el flujo del aire, sea suficiente para que el valor de la temperatura de descarga sea constante e igual al del punto de ajuste.
Este es un sistema de control realimentado ya que para corregir el valor de la variable que se quiere controlar, se mide la misma variable y se toma una acción de control. A los sensores también se les llama elementos primarios por ser el primero en establecer contacto con el proceso y a los actuadores también se les llama elementos finales.
¿Cómo se conectan los sensores convencionales con los controladores?
Por lo general se utilizan cables de cobre de calibres pequeños (usualmente 18 ó 22 AWG) para enviar la información de los sensores en forma de señal eléctrica (voltaje, corriente o resistencia).
Para hacer más robusto un sistema de control y más inmune a la interferencia o ruido electromagnético (EMI o RFI, por sus siglas en inglés) se utilizan cables blindados con hilos de drenaje y de pares torcidos; blindados para evitar que la inducción electromagnética llegue a los conductores y altere el valor de la variable física eléctrica generada por el sensor y que deberá leer el puerto de entrada del controlador; hilo de drenaje que se conecta en un punto de tierra física y en un sólo extremo del cable, ya que en caso de llegar a inducir el voltaje éste puede ser drenado a tierra y no malogre la información.
Por último, se usan pares torcidos ya que la señal física que conduce la información al puerto de entrada del controlador es el valor diferencial entre ambos conductores, por lo que la electrónica del controlador mismo filtra en la entrada el valor que sea común a ambos conductores, que sería causado por el ruido electromagnético en caso de que llegara a inducirse un voltaje.
¿Qué detalles de instalación presentan los sensores convencionales?
Tomaremos el caso de los sensores más usuales en sistemas HVAC, temperatura de cuarto. Normalmente se instalan en pared, a una altura de 1.5 a 1.6 metros de altura sobre el nivel del piso, en una caja rectangular ahogada en la pared que sirve para base del mismo, y de la que sale un tubo conduit metálico que lleva los conductores al controlador.
Esto implica que en un proyecto de instalación de sistemas HVAC que esté siendo ejecutado, se debe de coordinar la instalación de los sensores con el grupo que esté haciendo la instalación eléctrica y antes que se realicen los acabados de los interiores.
Una situación que se presenta con frecuencia es que no es posible colocar al sensor en la mejor ubicación, ya que no se hizo a tiempo el ranurado e instalación de la canalización y de la base, o bien no es posible cuidar los acabados. Muchas veces se hacen cambios por remodelaciones y los sensores quedan en lugares que ya no son representativos de la carga térmica.
| Topologías de Comunicación entre Dispositivos Inalámbricos |
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Punto a Punto: como lo indica el término, es un simple reemplazo de lo que sería el cableado y es la comunicación directa entre dispositivo.
Estrella / punto a multi-punto: Existe una ruta centralizada con un punto de control a través del cual deben fluir todos los datos, un ejemplo es Wi-Fi.
Malla: No existe ruta centralizada, hay varias rutas en las cuales los dispositivos pueden recibir y transmitir datos de otros dispositivos, por esto presenta una mayor redundancia y por lo general son auto configurables y auto diagnosticables.
Árbol/Hibrido: Es una mezcla de Malla y estrella o punto a punto, en el cual se busca un consumo de baja potencia manteniendo el aspecto robusto de la topología en malla y a la vez permite ser escalable para recibir más dispositivos en un futuro. |
¿Cómo los sensores inalámbricos solucionan estos detalles?
Actualmente se aplica la tecnología inalámbrica en la construcción de sensores, logrando una gran flexibilidad en su instalación, estos sensores se colocan en la zona sobre la pared y se comunican por radiofrecuencia con el controlador sin necesidad de cables.
La alimentación que da energía al sensor para que éste opere, se genera en una pila de voltaje de corriente directa que tiene una duración de 5 años de uso continuo, eliminando el cambio frecuente de las mismas.
Esto permite una gran simplificación en proyectos, ya que se reducen costos de instalación, se minimiza la planeación para localizar los sensores al ser más fáciles de reubicar y se pueden montar prácticamente donde sea.
¿Dónde es conveniente utilizarlos?
En edificios donde se cuide la estética, lugares de difícil cableado, con paredes de piedra, ladrillo o bloque de concreto, o en edificios con restricciones estéticas como:
• Propiedades de valor histórico
• Espacios de alto perfil
• Espacios públicos (museos)
• Abiertos, estructuras de cristal (edificios de oficinas contemporáneos)
• Edificios Corporativos
También en espacios renovados frecuentemente
• Espacios rentados
• Oficinas
Propiedades con control crítico de climas
• Farmacéutico
• Cuidado de Salud
Propiedades de alta tecnología, Innovadores de rápida adopción
¿Qué términos y definiciones hay que conocer para entender la tecnología inalámbrica?
Topología
Hay que entender que el término inalámbrico se refiere a un medio de comunicación utilizando ondas electromagnéticas y que puede ser configurado de diferentes formas, a esto último se le conoce como topología.
Espectro de Radiofrecuencias
Como comentamos se trata de utilizar dispositivos de control, en este caso sensores dentro del espectro electromagnético total de frecuencias usadas para comunicaciones, que es el espectro de radiofrecuencias incluyendo las frecuencias usadas para radio, televisión y radar.
Además existe el concepto de espectro extendido, en el cual a una sola frecuencia a ser utilizada, se le protege extendiéndola deliberadamente sobre un ancho de banda de frecuencias alrededor y que no pueden ser utilizadas, con esto incrementando la resistencia natural a la interferencia o a distorsiones, así como para prevenir detecciones hostiles.
En la actualidad existe el concepto de la permutación de canal, que permite a los dispositivos inalámbricos contar con la habilidad de seleccionar el canal óptimo de comunicación confiable, la permuta puede ser en forma automática o en forma manual; de manera similar como trabajan los teléfonos inalámbricos con sus bases hoy en día.
Estándares IEEE
El Instituto de Ingenieros en Eléctrica y Electrónica (IEEE, por sus siglas en inglés) tiene normas y estándares para aplicaciones de radiofrecuencia. Existe la norma 802.15 dependiendo del uso:
De la figura podemos observar que IEEE 802.15.4 menciona aplicaciones para transmitir texto, y sus características son:
• Usado para aplicaciones de ciclo de trabajo bajo y larga duración de baterías
• Gran rango de topologías, incluyendo malla
• Puede permanecer en silencio por períodos largos
• Diseñado específicamente para redes de sensores
• Consumo de energía
• Velocidad/tamaño de intercambio de datos
• Distancias
Frecuencias 802.15.4
| BANDA | COBERTURA | VELOCIDAD | CANALES | |
| 2.4 | ISM | Mundial | 250 Kbps | 16 |
| 868 MHz | Europa | 20 Kbps | 1 | |
| 915 MHz | ISM | América | 40 Kbps | 10 |
| Nota: (ISM) Industrial, Scientific and Medical | ||||
Las bandas de frecuencias 2.4 Ghz y 915 MHz, originalmente eran reservadas internacionalmente para uso no comercial, pero con el tiempo y en la actualidad son utilizadas para comunicaciones libres de licencia y tolerantes a errores.
El uso de productos en la banda de 900 Mhz y que abarcaría las frecuencias de 868 MHz y 915 Mhz, tiene la desventaja de que contempla dos estándares separados (uno Norte América y otro Europa), además de la velocidad que es más baja comparada con la banda de 2.4 GHz; la ventaja que ofrece es que los límites del rango están más separados de la frecuencia central (900MHz) y lo hace en forma natural más inmune a interferencias de otros dispositivos.
El uso de productos en la banda de 2.4 Ghz, tiene la ventaja de la velocidad y la conversión en un estándar mundial, aunque el rango es más corto alrededor de esta frecuencia y el tráfico se ha incrementado notablemente por el desarrollo de muchos productos que lo utilizan.
En cuanto a la coexistencia de varios dispositivos en la frecuencia de 2.4 GHz y la potencial interferencia que puede existir, hay que comentar que IEEE 802.15.4 tiene las siguientes características:
• Valida antes de transmitir
•Retracta y re-intenta (aviso de no confirmación)
•Ciclo de trabajo es muy bajo
Protocolos
Los protocolos son reglas que determinan el formato de transmisión de datos, lo cual es similar al idioma con el que hablaría el sensor inalámbrico con el controlador y existen diferentes para cada aplicación como se presentan a continuación:
Redes inalámbricas Wi-Fi
•Estándar abierto/Interoperable actual
•Utilizado en radios IEEE 802.11x
Redes de sensores inalámbricos ZigBeeTM
•Eventualmente un estándar abierto interoperable aceptado en la industria
•Utilizado en radios IEEE 802.15.4
Propietarios
•Cada compañía desarrolla el propio
¿Qué es ZigBeeTM y cuáles son sus ventajas sobre el uso de protocolos propietarios?
Es un protocolo inalámbrico confiable, efectivo en costo, de bajo consumo de energía, y con el cual cada vez más fabricantes están desarrollando productos de monitoreo y control, buscando la ventaja de basar a éstos, en un estándar global abierto. Muchos fabricantes de controles HVAC son miembros de ZigBee AllianceTM, asociación fundada para el desarrollo de productos inalámbricos ZigBee.
Las principales ventajas de un dispositivo que usa protocolo ZigBeeTM es que permite la interoperabilidad entre fabricantes de diversas marcas en un mismo proyecto, sin amarrar a un usuario a una sola marca ni en el momento ni en el futuro para las refacciones; además de la rápida adopción que está encontrando en la industria.
Esto contrasta con el uso de protocolos propietarios que aparentemente permite a un fabricante el tener en forma más rápida productos inalámbricos en el mercado, pero que no permiten interoperabilidad, ya que sólo hablan entre sí con productos de la misma marca.
Para que un sensor sea completamente inalámbrico, ¿cómo se mantiene energizado?
Definitivamente se requiere que el dispositivo pueda contener energía almacenada, ya sea en baterías o en otro medio físico; el tema de la potencia contenida en un dispositivo inalámbrico ha sido en el pasado una de las limitaciones en la aplicación práctica de la tecnología inalámbrica en productos de control; sin embargo esto está cambiando ya que en la actualidad existen baterías de larga duración y otras formas en miniatura, de generar energía eléctrica.
Definitivamente el uso de baterías tiene la ventaja de la potencia y confiabilidad, y como principal desventaja el mantenimiento, ya que hay que reemplazar las mismas; aunque en el caso de los modernos sensores inalámbricos éstas tienen entre 2 y 5 años de duración en operación continúa.
En el futuro cercano veremos el uso de energía disponible en conjunto con mecanismos de recarga tal y como:
•Piezoeléctricos
•Termopares
•Fotovoltaicos
Por el momento estos medios mecánicos sólo generan un potencial eléctrico de unos 20 microwatts y no se consideran como fuentes independientes para mantener la alimentación de un sensor inalámbrico por sí solo.
Ejemplo de sensor de temperatura inalámbrico y sus características:
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Temperatura de zona, punto de ajuste y sobremandoSe venden en sets (sensor/receptor)Potencia del sensor• Baterías (2) AA lithium• Vida en baterías: 5 añosSeñal inalámbrica • Específicamente diseñado para redes de sensor punto a punto • IEE 802.15.4 2.4 GHz • Rango nominal = 200 pies Compatible con controladores anteriores del fabricante |
¿Existen sensores inalámbricos de otras variables además de temperatura de cuarto?
En el mercado existen sensores de temperatura de cuarto con perilla de ajuste local e inclusive con pantalla de cristal líquido (LCD) y comienzan a estar disponibles sensores de otras variables (presión, humedad relativa, niveles de iluminación, interruptores de puerta, y otros.
Algunas soluciones son híbridas, es decir ofrecen sensores inalámbricos para comunicar el valor de la variable al controlador pero que son alimentados localmente con cables para poder operar; o bien son sensores comunes que se conectan a interfases inalámbricas.
Hay otros dispositivos inalámbricos para residencias como válvulas tipo on-off operadas por baterías y actuadores para el movimiento de persianas.
La tecnología inalámbrica es de rápido crecimiento, con ventajas significativas y existen productos disponibles hoy en día en el mercado HVAC por fabricantes reconocidos en la industria y en un futuro cercano sólo podemos esperar ver una variedad mayor.
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Referencias:
WordNet ® 2.0, © 2003 Princeton University
Wikipedia, © 2006
IEEE 802 ® standard
