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Introducción
El año de 1940 marcó el inicio del desarrollo tecnológico de las celdas solares, por haberse diseñado la primera célula solar de silicio con un porcentaje de eficiencia del 1%, se necesitaron más de sesenta años de investigaciones para poder incrementar su rendimiento hasta en un 25% la eficiencia de conversión energética (Green, 2009), siendo el efecto fotovoltaico el principio por el cual la celda solar es capaz de convertir los fotones provenientes del sol en energía eléctrica (Gutiérrez & Rivera, 2013).
La energía del sol es invaluable por sus características sobresalientes; limpia, autónoma y relativamente inagotable (Buitrago, 2005). México al estar situado en el llamado cinturón solar, es uno de los países con una radiación de 5 KWh por metro cuadrado al día (Alemán et al., 2014), convirtiéndolo indudablemente en un país con un gran potencial para explotar la producción de energía solar (Rodríguez et al., 2017). En México, la producción de energía fotovoltaica se ha incrementado en los últimos años debido a la disminución de los costos para la adquisición de un sistema fotovoltaico, se tiene reportado que a partir del 2010 se incrementó su producción de 28 MWh a 190 MWh en tan sólo cinco años (Rodríguez et al., 2017).
La tecnología del internet de las cosas (IoT), implica la interconexión de una gran variedad de dispositivos electrónicos o “cosas” por medio del internet (Singh et al., 2019). En los procesos de monitoreo y control, el uso de diversos sensores implica la adquisición de datos para la toma oportuna decisiones (Duque, 2017) con la habilitación de actuadores (Bonilla et al., 2016). El internet de las cosas, así como sus aplicaciones han despertado interés en diversos ámbitos; en la salud, como en el monitoreo corporal de pacientes con enfermedad pulmonar crónica (López et al., 2018), en la adquisición de signos vitales vía remota (Zárate et al., 2018). En el ámbito de la agricultura, no es la excepción, se han desarrollado sistemas inalámbricos capaces de recolectar información de parámetros importantes en el desarrollo de cultivos protegidos (Gómez et al., 2017) e inclusive se ha aplicado al área de la domótica (Muñoz & Guryev, 2017). En el ámbito de seguridad, se han desarrollado dispositivos de seguridad comunitaria (Nevárez et al., 2019) y en el monitoreo de equipos en laboratorios de investigación (Rodríguez et al., 2017), por lo anterior esta tecnología tiene la tendencia de mejorar de manera eficiente nuestras actividades tanto laborales y personales, encaminada a un sólo propósito, convertir a la industria, agricultura, vivienda, transporte, seguridad, salud en inteligentes.
De acuerdo con la tecnología IoT, el proceso para conectar un dispositivo está compuesto por tres niveles o capas, el primer nivel son los dispositivos (sensores, actuadores); en el segundo nivel, están los protocolos de conectividad MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), que hacen posible la comunicación entre el dispositivo y la nube; el tercer nivel, la nube de IoT, entorno que se encarga de gestionar la comunicación y administrar los dispositivos conectados (Wortmann & Flüchter, 2015).
Una de las principales características o prestaciones que debe ofrecer una plataforma IoT es la capacidad de conectar y controlar una gran cantidad de dispositivos en todo el mundo (Hejazi et al., 2018). En la actualidad, para poder desarrollar proyectos integrales existe una gran variedad de plataformas disponibles tanto comerciales y de libre acceso (Nakhuva & Champaneria, 2015; Dumitru, 2017).
Se ha documentado que la plataforma myDevices Cayenne provee el soporte necesario para desarrollar aplicaciones robustas de IoT con placas de libre acceso como Arduino, ESP8266 y varias versiones de Raspberry Pi y LoRa (Fernández et al., 2020).
El aumento en la demanda energética indudablemente ha incrementado la aceptación de las celdas solares como fuente de energía alternativa renovable, cabe destacar que aún no se puede comparar esta tecnología con los combustibles fósiles en base a su eficiencia energética, pero el impacto que conlleva su uso al ambiente es algo que debemos de considerar muy en serio. Por lo tanto, es necesario mejorar de diferentes maneras el uso de un sistema fotovoltaico; cabe mencionar que los sistemas convencionales no están habilitados para transmitir información relacionada a su funcionamiento de manera remota, esto inhabilita al operario de poder conocer en tiempo real el voltaje generado de una celda solar y de esta manera corregir de manera oportuna un posible desajuste en su desempeño. Por lo anterior, se decidió realizar un prototipo para comprobar la posibilidad de poder monitorear de manera remota el voltaje generado de una pequeña celda solar y la intensidad luminosa del entorno con el uso de la plataforma IoT myDevices Cayenne y la placa de desarrollo NodeMCU. Esto con la finalidad de dar una posible solución en la capacidad de monitorear de manera remota el funcionamiento de una celda solar y además promover el uso de las tecnologías IoT de libre acceso en el desarrollo de aplicaciones novedosas que provean soluciones a diferentes áreas de interés social y económico.
Método
Materiales
Sensor TSL2561
El TSL2561 es un convertidor de luz digital que transforma la intensidad de la luz a una señal de salida capaz de dirigir a una interfaz I2C. Permite detectar rangos de luz de hasta 0.1 - 40,000 Lux. La información detallada de conexión y código de programación en el IDE de Arduino se consultó en el sitio oficial de Sparkfun (Sparkfun, 2018).
Tarjeta de desarrollo NodeMCU
la tarjeta NodeMCU es un módulo con un microcontrolador ESP8266 que fue diseñado por una compañía china llamada Espressif Systems, pero su producción en masa inició hasta principios del año 2014, donde se anunció que este chip sería una excelente solución autómata de redes Wi-Fi (Ceja et al., 2017).
Tabla 1 Especificaciones del microcontrolador ESP8266.
| Característica | Valor |
|---|---|
| Voltaje | 3.3 V |
| Consumo de corriente | 10µA -170 mA |
| Memoria Flash | 16 MB máx. (512 k normal) |
| GPIOs | 17 |
| Soporte de 802.11 | b/g/n/d/e/i/k/r |
Fuente: Ceja et al., 2017.
Celda solar
Se utilizó una celda solar portátil, con una potencia máxima de 10 watts, 5 volts de salida y 2000 miliAmperes (mA) con dimensiones de 240 milímetros (mm) de largo x 140 mm de alto.
Plataformas de programación
Para la programación de la placa NodeMCU se seleccionó el Entorno de Desarrollo Integrado (IDE) de Arduino (Arduino, 2019), esto por la facilidad de su programación y por la basta cantidad de librerías que están disponibles para ser implementadas. myDevices Cayenne es una plataforma IoT cuya característica es de arrastrar y soltar logrando que los usuarios realicen grandes proyectos ahorrando tiempo, además de ser compatible con el IDE de Arduino (myDevices, 2019).
Descarga y configuración del IDE de Arduino
Para poder programar la placa NodeMCU fue necesario descargar el (IDE) de acuerdo al sistema operativo de nuestra computadora, en este caso se descargó para Windows 10, del sitio oficial de Arduino (Arduino, 2019). Al haber instalado y ejecutado el IDE de Arduino, se notó la incapacidad de controlar la placa NodeMCU, por lo que se realizó la gestión y descarga de la librería correspondiente a la placa. Al haber concluido la instalación de la librería, el IDE de Arduino reconoció la placa NodeMCU. Para poder realizar la correcta comunicación inalámbrica entre la placa NodeMCU y la plataforma myDevices Cayenne se gestionó, descargó y se instaló la librería de Cayenne MQTT al IDE de Arduino, de esta manera se habilitó el IDE de Arduino para trabajar con la plataforma myDevices Cayenne y la placa NodeMCU.
Registro de la plataforma Cayenne
Al haber configurado el IDE de Arduino se registró una cuenta de usuario en la plataforma Cayenne (Cayenne, 2019). Posteriormente, se ingresó con el usuario y contraseña a la plataforma myDevices Cayenne. Como se muestra en la Fig. 2, al haber ingresado a la plataforma myDevices Cayenne se procedió a generar un nuevo proyecto titulado ESP8266.
Fuente: Elaboración propia tomado de la página oficial de myDevices.
Fig. 2 Interfaz Cayenne. Creación de un nuevo proyecto ESP8266.
El siguiente paso fue añadir los dispositivos que contaría el prototipo de monitoreo de voltaje e intensidad luminosa (placa NodeMCU, sensor TSL2651 y celda solar), como se muestra en la Fig. 3.
Fuente: Elaboración propia tomado de la página oficial de myDevices.
Fig. 3 Interfaz Cayenne. Selección de la placa o microcontrolador ESP8266.
Al seleccionar la placa NodeMCU, la plataforma myDevices Cayenne generó automáticamente credenciales de identificación (MQTT, contraseña MQTT, identificación del cliente), estos identificadores son indispensables para la comunicación inalámbrica de la placa NodeMCU, los cuales fueron insertados en el código de programación que se desarrolló.
Incorporación del sensor de luminosidad
Para poder habilitar el sensor de luminosidad al IDE de Arduino se instaló la librería correspondiente de manera similar a la instalación de la librería del microcontrolador ESP8266. De esta manera se habilitó al IDE de Arduino para establecer comunicación con el sensor TSL2561, los valores de luminosidad fueron mostrados en el monitor serial de la computadora. Para la obtención de las lecturas de manera inalámbrica en la plataforma myDevices Cayenne, se agregó un nuevo dispositivo, este proceso fue similar al realizado con la placa NodeMCU (Fig. 4).
Fuente: Elaboración propia tomado de la página oficial de myDevices.
Fig. 4 Interfaz Cayenne. Selección del sensor TSL2561.
Para la incorporación de la celda solar a la plataforma se procedió a realizar el mismo procedimiento del sensor de luminosidad, seleccionando el tipo de dispositivo, como “Genérico”, con esta acción se hizo posible la adquisición de manera remota los valores de voltaje proveniente de la celda solar.
En resumen, para establecer la conexión remota y monitorear los valores de voltaje e intensidad luminosa, se agregaron los dispositivos necesarios en la plataforma myDevices Cayenne, del mismo modo se incorporaron las credenciales (MQTT) al código de programación de Arduino y posteriormente el código fue cargado a la placa NodeMCU. El desempeño inalámbrico entre la plataforma myDevices Cayenne y el prototipo de monitoreo de voltaje e intensidad luminosa realizado por la placa NodeMCU se espera que se realice de acuerdo al esquema de la Fig. 5.
(A) celda solar. (B) Placa NodeMCU. (C) Sensor TSL2561. (D) Modem. (E) Servicios en la nube de myDevices Cayenne. (F) Antena de comunicaciones. (G) móvil con sistema Android o IOS. (H) Laptop. (I) Usuarios para la toma de decisiones. Fuente: Elaboración propia.
Fig. 5 Esquema del monitoreo del voltaje e intensidad luminosa por myDevices Cayenne.
Resultados
Desde el punto de vista de Knörig, Wettach, & Cohen (2009) el uso del programa de Fritzing es ideal para documentar el diseño de proyectos electrónicos. En la Fig. 6, se muestra el esquema de las partes que componen al prototipo de monitoreo de voltaje e intensidad luminosa, desarrollado con el uso de Fritzing (Fritzing, 2019), para otorgarle autonomía, se incorporó una batería de ion litio L-S1 de 1800 mA Blackberry® como fuente de energía.
Fuente: Elaboración propia con el uso del programa fritzing®.
Fig. 6 Esquema de conexiones. Representación de las conexiones realizadas entre la placa NodeMCU, sensor TSL2561, celda solar, cargador solar, batería.
Prototipo terminado
Al haber concluido las pruebas de conectividad en el laboratorio, se procedió a probar la capacidad de comunicación entre la placa NodeMCU y el punto de acceso a internet, el prototipo fue capaz de establecer la comunicación hasta una distancia de 12 metros del punto de acceso, posteriormente se buscó un espacio a cielo abierto para la obtención de las lecturas de voltaje e intensidad luminosa de manera remota.
Fuente: Elaboración propia.
Fig. 7 Desempeño de conectividad. La placa NodeMCU fue capaz de establecer la conexión inalámbrica con la plataforma myDevices Cayenne.
Como se muestra en la Fig. 8, los resultados obtenidos fueron visualizados a través de un celular con la aplicación de myDevices Cayenne instalada en el sistema IOS, al realizar alguna interferencia física de los rayos solares al prototipo, los valores tanto de voltaje y los de intensidad luminosa, inmediatamente representaron una disminución inmediata de los valores adquiridos, por lo que el tiempo de respuesta a las variaciones de luz fue bastante rápida a través de la plataforma Cayenne.
Fuente: Tomado de la aplicación oficial de myDevices Cayenne.
Fig. 8 Interfaz de myDevices Cayenne. Lectura a través de un celular con sistema IOS del monitoreo de voltaje de la placa solar y luminosidad del sensor TSL2561con la aplicación de myDevices Cayenne.
Con la capacidad de monitorear el voltaje de manera remota, es probable realizar algunas tomas de decisiones en un sistema fotovoltaico más robusto es decir, si de manera remota se están obteniendo valores de luminosidad altos y un voltaje inusualmente bajo, es posible que entre la superficie de la celda solar y la incidencia de los rayos solares exista una barrera física, por ejemplo una capa de polvo, esta variación inusual alertaría al operario la necesidad de realizar un proceso de limpieza a la superficie del sistema fotovoltaico o en un caso más extremo, un mantenimiento correctivo más detallado.
Algunos investigadores han reportado el uso de la plataforma IoT adafruit para el monitoreo en la generación de energía eléctrica a partir de una celda solar, dicha plataforma tiene dos modalidades, gratuita siendo limitada y de paga con mayores prestaciones, la placa de programación que usaron fue Arduino Mega, se conectaron varios sensores para medir, corriente, voltaje, temperatura, lo que no mencionan es como fue capaz su dispositivo de mandar los datos a la nube ya que Arduino Mega al poseer un mayor número de entradas y salidas comparadas con la placa NodeMCU empleada en el presente trabajo, carece de la capacidad de conectarse vía remota, posiblemente conectaron el Arduino Mega a un equipo de cómputo por vía USB para poder realizar la conectividad remota hacia la plataforma adafruit (Ali & Paracha, 2020). Por otra parte, (Kodali & John, 2020), usaron la plataforma Amazon Web Services (AWS) para el monitoreo de variables relacionadas al desempeño de la celda solar, la placa de programación que implementaron, fue la misma que en el presente trabajo, con el uso del NodeMCU ellos lograron monitorear el voltaje, la temperatura y el grado de inclinación de la celda solar. También se tiene reportes de trabajos relacionados al mejoramiento del desempeño de una celda solar y que han usado sistemas del IoT para desarrollar prototipos de seguimiento solar acoplado a un módulo fotovoltaico, con un sólo objetivo, asegurar una mayor conversión de energía a lo largo del día a diferencia de una celda solar estática (Saravanan & Lingeshwaran, 2019); inclusive se realizó un proyecto en colaboración entre el gobierno y una universidad, en el desarrollo de un sistema de monitoreo inteligente de una celda solar, realizando varias versiones al sistema de monitoreo, permaneciendo aún sin ser implementadas de manera general en los sistemas comerciales (Spanias, 2017).
Por lo anterior, constantemente se están desarrollando investigaciones relacionadas al monitoreo y mejoramiento en el aprovechamiento de una celda solar convencional con el uso del IoT. Actualmente, existen una gran cantidad de plataformas que proveen servicios IoT en diversas modalidades de paga o gratuitos, algunas requieren de mayores conocimientos de programación como la plataforma de AWS, siendo la excepción la plataforma myDevices Cayenne por ser una plataforma amigable, y fácil de usar, aunado a la flexibilidad que otorga por la capacidad de manejar una variedad de sensores, actuadores y lo más importante está habilitada para manejar varias placas de programación de libre de acceso como Arduino, Raspeberry Pi, ESP8266, y LoRa.
Debemos comentar que el gasto energético del procesador ESP8266 de la placa NodeMCU es un factor que se debe de considerar al momento de desarrollar proyectos del IoT, debido a la energía empleada al realizar la conexión a internet por Wi-Fi. De acuerdo al manual de ESP8266 Low Power Solutions, esta desventaja se puede solucionar implementado tres tipos de ahorro de energía que presenta el procesador: Deep-Sleep, Modem-Sleep y Light-Sleep, siendo el Deep-Sleep el modo de ahorro más eficiente (Espressif, 2016), con estas opciones de configuración, la placa NodeMCU es una opción ideal, atractiva y económica para proyectos IoT que puede ser alimentado por baterías de ion de litio.
Con respecto a la plataforma myDevices Cayenne presenta algunas ventajas que se enumeran a continuación (1) El diseño de los paneles de control son visualmente agradables e intuitivos. (2) La capacidad de generar un historial con los datos obtenidos por los sensores. (3) Proveer al usuario de gráficos apropiados para un mejor entendimiento del comportamiento de los datos obtenidos. (4) Capacidad de programar alertas que serán emitidas por un mensaje SMS o correo electrónico, (5) Capacidad de dar seguimiento a unidades móviles vía GPS. (6) Flexibilidad de planificación de eventos. (7) La activación de dispositivos de manera automática por medio de actuadores, ofreciendo al usuario un completo monitoreo y control de cualquier proceso en donde se involucre la medición de variables por sensores.
Conclusiones
Con el uso de la plataforma myDevices Cayenne se pudo monitorear de manera remota el voltaje y la intensidad luminosa en tiempo real a través de un dispositivo móvil.
La plataforma myDevices Cayenne mostró ser compatible con la placa de programación NodeMCU con el microcontrolador ESP8266.
La plataforma myDevices Cayenne es simple de usar, ofreciendo en su sitio oficial la documentación necesaria que permitirá al usuario configurar cualquier sistema sin necesidad de tener un nivel de programación avanzado.
Al ser Arduino una plataforma de libre acceso y con una gran cantidad de librerías disponibles, la convierten en una de las favoritas de los programadores para dar soluciones al desarrollo de proyectos del internet de las cosas.
La plataforma myDevices Cayenne y la placa NodeMCU es una opción económica y atractiva para dar inicio al desarrollo de proyectos embebidos con la tecnología del internet de las cosas en diversas áreas de interés como agricultura, salud, industria, vivienda, educativa.
Trabajos futuros
Debido a las prestaciones propias de la plataforma myDevices Cayenne, se podrán realizar varias mejoras al prototipo, agregando sensores para el monitoreo de la temperatura del entorno y la superficie de la celda solar, la medición de partículas suspendidas en el aire, la estimación de la radiación ultravioleta e infrarroja y el ángulo de inclinación de la celda. Además, de habilitar el uso de alertas y acciones que permitirán un monitoreo íntegro de la celda solar.
