Tecnologías inalámbricas para medidores inteligentes

El avance de la tecnología está posibilitando la sustitución de contadores mecánicos y electromecánicos de energía, agua y gas por contadores digitales con funcionalidades avanzadas. Con estas nuevas herramientas en sus manos, los usuarios están pasando de un rol puramente pasivo a uno más activo, en el que cada uno puede tomar el control de sus hábitos de consumo y definir su propia estrategia para ahorrar recursos. La palabra clave es “comunicación”. Con la nueva tecnología, las empresas de servicios públicos y los usuarios pueden comunicarse, allanando el camino para nuevos escenarios de uso inteligente de los recursos primarios.

Contadores inteligentes

Hay varias ventajas en el uso de medidores inteligentes. Las empresas de servicios públicos pueden beneficiarse de la recopilación de datos automatizada, evitando errores humanos debido a las lecturas manuales y, en última instancia, reduciendo los costos de mano de obra. Además, la recopilación de datos estadísticos se vuelve más fácil, lo que permite un dimensionamiento y una utilización óptimos de la red de distribución. El diagnóstico y la detección instantánea de fallas permiten el mantenimiento predictivo, lo que resulta en una red de distribución más eficiente y confiable. Además, las empresas de servicios públicos pueden ofrecer servicios adicionales, como precios en tiempo real, en función de diferentes franjas horarias durante el día. Algunas operaciones pueden posponerse en el tiempo, cuando el costo del servicio es menor, lo que permite a los usuarios ahorrar dinero y utilidades para administrar eficazmente los picos de demanda.

Una vez conectados a la red doméstica, los contadores inteligentes pueden proporcionar información útil sobre los hábitos del consumidor. Será posible conocer el consumo de energía de un ciclo de lavado, el agua necesaria para regar el jardín, el consumo diario de gas para calefacción. Varios estudios muestran que la simple conciencia puede producir ahorros del 20% o más. Dada la oportunidad de ahorrar dinero al reducir el uso de recursos y dada la tecnología para tomar medidas para reducirlo, los consumidores tomarán medidas, con ahorros de hasta el 50%.

Los medidores inteligentes permitirán una reducción de los recursos primarios del lado del usuario, ahorros en las pérdidas del lado de los servicios públicos y, en última instancia, ayudarán en el objetivo de reducir las emisiones de carbono haciendo de la Tierra un lugar más verde para vivir.

Estructura del medidor inteligente

El diagrama de bloques general de un medidor inteligente se muestra en la Figura 1. Según la aplicación, la medición de energía, gas o agua, puede tener uno o más sensores conectados a la electrónica frontal, una fuente de energía con el circuito de administración de energía asociado, un nodo de comunicación y un microcontrolador para la gestión del sistema.

Varias tecnologías están disponibles cuando se implementa un sistema de medición en red. Sin embargo, dos de ellos están emergiendo como dominantes: la comunicación inalámbrica de corto alcance (SRD) y la comunicación por línea eléctrica (PLC). El PLC es especialmente adecuado para la medición de energía, siendo el portador de la línea eléctrica disponible de forma gratuita; para medidores de agua y gas, SRD se está convirtiendo en la opción obvia debido a la falta de un portador de línea de energía adecuado. Además, los contadores de gas y agua funcionan con pilas, por lo que el consumo eléctrico es un aspecto muy crítico.

Para lograr el mejor equilibrio entre el consumo de energía y el rango de comunicación, los diseñadores de medidores eligen radios en las bandas sub-GHz, como 915 MHz en América del Norte, mientras que en Europa las bandas de interés son 868 MHz y 433 MHz, con una frecuencia creciente. interés en la banda de 169 MHz. Además, la mayoría de los fabricantes de medidores están considerando la banda de frecuencia libre mundial de 2,4 GHz; sin embargo, para un consumo de energía determinado, las radios que se comunican en estas frecuencias tienen un alcance más corto que las radios sub-GHz. Un rango más amplio es vital para los medidores de gas y agua, que se pueden colocar en entornos hostiles para la propagación de RF, como sótanos y pozos subterráneos.

Medición de agua: el sistema MultiReader desarrollado por Smart Metering

Los avances en la transmisión inalámbrica de corto alcance están haciendo posible la monitorización de las redes de distribución de agua. Una vez se monitoreó el uso del agua mediante modelos matemáticos y mediciones esporádicas a la entrada de la red de distribución y conexiones de usuarios. Hoy, con el hardware adecuado, es posible realizar múltiples mediciones sincronizadas que permiten una adecuada gestión de la red de distribución.

El contador permite AMR (lectura automática de contadores), que puede utilizarse para facturación pero también para detectar pérdidas en la red. Con medidas sincronizadas y frecuentes sobre entradas y salidas, las empresas de servicios públicos pueden realizar un presupuesto de agua mensual, semanal o incluso diario. De esta manera, será más fácil detectar pérdidas en la red por fallas o usos ilegales de agua. Las empresas de servicios públicos también pueden ofrecer servicios adicionales a sus clientes, como la detección de pérdidas en la red del usuario al monitorear el consumo durante la noche o fuera de las horas pico.

Una red inalámbrica alimentada por batería para el monitoreo del agua es una tarea difícil. Se solicita que los medidores funcionen durante varios años, 10 o incluso 15 años, con una fuente de energía limitada, en un entorno hostil. Las interferencias electromagnéticas debidas a interferencias fuera de banda, como transmisiones de radio y televisión, estaciones base GSM o interferencias dentro de banda, como controles remotos, pueden reducir la sensibilidad del receptor y, en algunos casos, pueden causar el bloqueo del propio receptor. Además, las condiciones climáticas y los objetos metálicos como tuberías de drenaje o automóviles estacionados pueden comprometer el rendimiento de la antena y la propagación de ondas de radio. Los altos niveles de humedad y los ciclos térmicos pueden inducir tensiones mecánicas o afectar el rendimiento de la batería.

Todos estos factores pueden afectar la confiabilidad general del sistema e impactar los costos de mantenimiento que deben mantenerse muy bajos.

Dadas estas condiciones de operación, está claro que el dispositivo tendrá una sensibilidad muy alta, robustez a las interferencias y bajo consumo de energía. Medición inteligente llevó a cabo una evaluación comparativa entre los dispositivos de corto alcance disponibles y decidió optar por la familia de transceptores inalámbricos ADF702x de Analog Devices que demostró ser la mejor del mercado en el cumplimiento de estos requisitos tan exigentes.

El sistema de lectores múltiples

Smart Metering ha desarrollado The MultiReader System (Figura 2), basado en la familia ADF702x, para satisfacer las necesidades de las empresas de servicios públicos para el control del agua. Está compuesto por el contador de agua MultiReader-C, el repetidor MultiReader-R y el concentrador MultiReader-G.

El MultiReader-C es un contador alimentado por batería que se puede conectar hasta a tres dispositivos emisores de pulsos. El medidor puede proporcionar el consumo de agua en tiempo real, datos almacenados basados ​​en un calendario fijo y mediciones procesadas aplicando algoritmos específicos. Todas estas capacidades permiten varios servicios, como mediciones sincrónicas en diferentes puntos, consumo de agua en un intervalo de tiempo específico y generación de informes de otra información útil, como reflujo, apagado del contador y pérdidas del usuario final.

El MultiReader-R es un repetidor alimentado por batería, normalmente instalado en un poste, y se utiliza para ampliar el alcance de los medidores individuales. Es capaz de comunicarse con contadores, otros repetidores y concentradores.

El MultiReader-G recopila los datos de los medidores y puede comunicarse con una oficina central a través de la red GSM.

La instalación y el mantenimiento de una red inalámbrica confiable para la medición del agua requiere HW, SW y capacidades de gestión del sistema, que han sido desarrolladas por Smart Metering a lo largo del tiempo.

La Figura 3 muestra la instalación de las unidades MultiReader-C donde cada unidad está conectada a tres dispositivos emisores de pulsos. Un repetidor instalado en un poste se puede ver en la Figura 4.

Tecnología de transceptor de banda ISM de Analog Devices

Los transceptores SRD de Analog Devices pueden cubrir la banda de frecuencia desde 75 MHz hasta 1 GHz. Los dispositivos más populares son el ADF7020 de banda media (100 kHz a 200 kHz, hasta 200 kbps), el ADF7021 de banda estrecha (9 kHz a 25 kHz, hasta 32 kbps) y sus derivados. La flexibilidad es una de las principales características de estos dispositivos. Se pueden programar varios parámetros para lograr el mejor compromiso entre rendimiento y consumo de energía. Los transceptores permiten esquemas de modulación ASK, FSK, OOK, GFSK, MSK, potencia de salida programable en el rango de -16 dBm a +13 dBm y muchas opciones de programación para que el LNA compense sensibilidad, linealidad y consumo de corriente. La etapa de entrada LNA diferencial, el control de rampa PA y el filtrado de datos de coseno elevado y gaussiano ayudan a que el dispositivo funcione correctamente en un entorno electromagnético complejo.

De la misma familia, el ADF7023 incorpora un procesador de comunicación de 8 bits para el manejo de paquetes, el control de radio y la funcionalidad del modo de activación inteligente. El procesador de comunicaciones alivia la carga de procesamiento del procesador complementario al integrar las capas inferiores de una pila típica de protocolos de comunicación.