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ESTUDIO DE CONSUMO DE ENERGÍA PARA UNA RED INALÁMBRICA DE SENSORES SOPORTADA SOBRE TECNOLOGÍA ZIGBEE
Javier Oswaldo Antonio Cifuentes
Sneider Saavedra Saavedra
Msc. Holman Montiel Ariza
Resumen: El presente documento describe el estudio realizado a los módulos XBee, mediante
la medición de corriente; configurados en modo API bajo la infraestructura de red ZigBee tipo
malla. El trabajar en modo API requiere contar con conocimientos en la estructuración y
comandos utilizados para el envío de tramas de comunicación, de modo que para la facilidad
del usuario se hace uso de una interfaz que contiene las distintas estructuras para el envío y
recepción de datos como lo son; la activación o desactivación de pines y la lectura de sensores
análogos conectados al módulo XBee mediante una tarjeta que se ha desarrollado para este
fin, la cual cuenta con la adaptación de circuitos para la lectura de dos sensores análogos
independientes y como salida el manejo de dos actuadores, el uso de esta permite realizar la
medición de corriente en distintos escenarios como en campo abierto, lugares confinados
como edificios en los cuales se pueden encontrar paredes en distintos materiales. El análisis
de las mediciones realizadas con cada tipo de interferencia permite comprender el
comportamiento de los módulos en la variedad de condiciones que pueden afectar la cobertura
de la comunicación.
Palabras clave: API, consumo, energía, XBee, ZigBee.
Abstract: This document describes the study carried out in the XBee modules, by means of
current measurement; Configured in API mode under the mesh type ZigBee network
infrastructure. The work in API mode requires the use of knowledge in the structuring and the
commands for the sending of communication communications, in the mode of ease of use of
the user, the use of an interface that contains the different structures for the sending and the
reception of data as the son The activation or deactivation of pins and the reading of the
sensors. The comments relate to the module. actuators, the use of this allows to measure the
current in different places as in the open field, places confined as buildings in which the walls
can be found in the different materials. The analysis of the measurements is made with each
type of interference allows to understand the behavior of the modules in the variety of conditions
that can affect the coverage of the communication.
Key words: API, consumption, energy, XBee, ZigBee.
1. Introducción
Mucho se ha dicho sobre el consumo de energía para una red inalámbrica de sensores
soportados sobre tecnologías zigbee, pero no se han obtenido estudios oficiales que abarquen
los comportamientos físicos del módulo Xbee, dado lo anterior se hace necesario analizar y
realizar un estudio, el cual permita comprender las variaciones y estados de consumo de
energía que provee el dispositivo, por ende este estudio se implementa en una tarjeta
desarrollada con funcionalidad y acondicionamientos de señales, voltajes de operación de
sensores análogos (resistivo y capacitivo), así como la posibilidad de usar dos actuadores uno
como indicador o alarma, el otro como control o switch y las configuraciones respectivas de los
módulos XBee para la generación de la red tipo malla donde se hace uso del modo API,
facilitando la comprensión de los comportamientos de dicho modulo.
2. ¿Qué es el modo API?
API es una interfaz robusta de programación de aplicaciones explicita y eficiente que permite
que un programa interactúe con otro, teniendo la capacidad de detectar y corregir errores en
los algoritmos, mejorando la eficiencia tanto en la conexión como la transmisión de la trama
siendo más rápido, predecible y confiable la comunicación.
Este modo permite el uso de frames con cabeceras que aseguran la transmisión de los datos
al estilo TCP, de tal forma que amplía el nivel de aplicación que requiera el usuario para
interactuar con las capacidades de red internas del módulo XBee. De este modo se puede
comparar los frames de transmisión y recepción de la siguiente manera. [1]
Frame TX (transmisión):
Frame de información RF transmitida.
Frame de comandos (equivalente a comandos AT).
Frame RX (Recepción):
Frame de información RF recibida.
Comando de respuesta.
Notificaciones de eventos como Reset, ODEM do, Disassociate, etc.
De esta manera API provee alternativas para la configuración del módulo y ruteo de la
información en la aplicación del servidor, de tal modo que un usuario puede enviar paquetes o
acciones a dispositivos XBee, excluyendo a módulos configurados como coordinadores ya
que, la conexión tipo malla a implementar solo permite un coordinador en la red, de tal manera
que los datos serán contenidos en un frame cuya cabecera tendrá información útil referente al
dispositivo, los primeros 4 bits de información son cruciales pues ahí se puede reconocer el bit
de start, el tamaño y el tipo de frame que se requiere enviar. Además, la información se puede
configurar, esto quiere decir que, en vez de estar usando el modo de comandos para modificar
las direcciones, la API lo realiza automáticamente.
El módulo XBee envía paquetes de datos contenidos en frames a diferentes dispositivos, con
información de sus respectivas aplicaciones, conteniendo paquetes de estado, así como el
origen, RSSI (potencia de la señal de recepción) e información de la carga útil de los paquetes
recibidos. [1-2]
Algunas características:
Transmitir información a múltiples destinatarios, sin entrar al modo de Comandos.
Recibir estado de éxito/falla de cada paquete RF transmitido.
Identificar la dirección de origen de cada paquete recibido.
El envío y recepción de datos entre los módulos XBee a través de tramas que se codifican al
enviar con la serie de parámetros ya mencionados y que lógicamente se decodifica esta trama
en el receptor para ejecutar el mensaje o acción enviado. [1-6]
3. Configuración de la red inalámbrica ZigBee:
La configuración malla consiste en emplear nodos de enrutamiento entre dispositivos finales
(end device), enrutador (router) y el coordinador (coordinator), el cual es el único administrador
en la red. Su rol es administrar los dispositivos que se encuentran conectados y permite reducir
la cantidad de saltos que un dispositivo requiera realizar para llegar a otro radio de su categoría
o en su defecto el radio coordinador.
Figura 1. Topología malla, fuente: autor. [7]
En la Figura 1 se observa la configuración tipo malla la cual se diferencia a la configuración en
árbol en la conexión entre módulos XBee permitiendo hacer múltiples interconexiones de
enrutadores, ya que la conexión tipo árbol solamente realiza enrutamientos en cascada, por lo
tanto en la configuración malla el envío de información de un dispositivo a otro se realiza
saltando el mínimo número de nodos que exista en la red inalámbrica hasta llegar a su destino,
por lo cual ahorra consumo de energía de la red desactivando dispositivos innecesarios para
hacer transferencia de datos de un módulo radio a otro. [1,5,6,8]
3.1 ¿Y ahora como se configura dicha malla en los módulos XBee?
Para configurar la red en topología malla se realiza en la plataforma XCTU, software que se
distribuye de manera libre por DIGI. Primero instalar el firmware del dispositivo que se
encuentra en la barra de herramientas (Update Firmware). Seleccionar según el dispositivo
que se requiera para la conexión en modo API.
Luego seleccionar el dispositivo al que requiere configuración en la parte izquierda de la barra
de tareas (en este caso el coordinador), donde se puede crear una subred en la malla.
Figura 2. Preselección del firmware a cargar, fuente: autor. [7]
Firmware Coordinator:
Product Family: XB24-ZB.
Function set: ZigBee Coordinator API.
Versión: 21A7 (newest).
ID (PAN ID) CAFE SC (Scan Channels) 5 SD (Scan Duration) 4 OP (Operating PAN ID) CAFE OI (Operating 16-bits PAN ID) Default CH (Operating Channel) B NC (Number of Remaining Children) Default DH (Destination Address High): 13A200 DL (Destination Address Low) FFFFFFFF
Tabla 1. Configuración de XBee como coordinador, fuente: autor. [7]
Las configuraciones restantes se dejan con los valores predeterminados por el Firmware, luego
en la barra de herramientas parte superior seleccionar write para escribir la configuración en
el módulo XBee, OI y NC es un valor que determina el firmware, pero para los dispositivos
finales y enrutadores es necesario recargar esta información que porta el coordinador, teniendo
la misma información en los tres dispositivos, excepto NC ya que, es un valor de jerarquía en
la comunicación. [2,9]
Firmware enrutador:
Product Family: XB24-ZB.
Function set: ZigBee Router API.
Versión: 23A7 (newest).
Firmware end Device:
Product Family: XB24-ZB.
Function set: ZigBee End Device API.
Versión: 29A7 (newest).
Figura 3.Configuración de parámetros para establecer la conexión malla, fuente: autor. [7]
Luego de tener los módulos configurados y conectados se verifica la conexión malla
seleccionando el Switch to Network working mode y el icono Scan. (véase la Figura 3 y la
Figura 4)
Figura 4. Configuración Malla con protocolo ZigBee (E-R-C) , fuente: autor. [7]
Esta configuración está dada por los dispositivos end device, router y el coordinator,
claramente se puede observar la conexión en malla implementando en protocolo ZigBee y los
direccionamientos de envió de datos.
Figura 5. Configuración Malla con protocolo ZigBee (R-R-C), fuente: autor. [7]
En la Figura 5 se estable una comunicación router-router-coordinator bidireccional en
transmisión de datos con altos porcentajes de entrega y envío de paquetes, por lo tanto, hay
un bajo porcentaje en la pérdida de paquetes en la transmisión por pérdida de señal.
4. Interfaz de Usuario:
Las conexiones en malla implementando el modo API son muy importantes en un ámbito de
diversos dispositivos conectados a una red ZigBee, pero también es importante tener un
dispositivo local con una interfaz de usuario donde se controle la trasmisión de los dispositivos
radio. Por ende, se diseña una plataforma en java, utilizando la librería XBee.java creada
originalmente por DIGI, la cual permite comunicar un dispositivo local con el computador
utilizando el emulador de puerto serial que cuenta java.
La interfaz fue diseñada para tener control de los puertos digitales (HIGH-LOW) y lectura de
puerto de entra ADC en el módulo remoto, además de contar con un reinicio en el módulo que
se encuentre seleccionado, básicamente se implementó el manejo del puerto serial con el
protocolo ZigBee y el manejo en la estructura de la trama a codificar y enviar, teniendo el
siguiente aspecto:
Figura 6. Interfaz de Usuario Java, Fuente: autor. [7]
Java es un software muy robusto que permite realizar todo tipo de programación y manipular
código base para mejorar la experiencia como programador, de acuerdo a esto DIGI desarrollo
la librería para el manejo de módulos XBee a través de java y se comunica de la siguiente
manera:
Figura 7. Estructura de comunicación, Fuente: autor. [7]
A continuación un ejemplo claro en código de como comunicar dos dispositivos y ejecutar
una acción:
myXBeeDevice.open(); RemoteXBeeDevice myRemoteXBeeDevice = new RemoteXBeeDevice(myXBeeDevice,new XBee64BitAddress(conf1)); myRemoteXBeeDevice.setIOConfiguration(act1, IOMode.DIGITAL_OUT_HIGH); myRemoteXBeeDevice.getConnectionInterface(); myXBeeDevice.close();
myXBeeDevice.open(): Establece comunicación RX-TX con el dispositivo local, dejando el
puerto disponible para transmisión de datos.
RemoteXBeeDevicemyRemoteXBeeDevice = newRemoteXBeeDevice (myXBeeDevice
,newXBee64BitAddress(conf1)): Configura la trama con la dirección del dispositivo local y la
dirección de destino, en este caso conf1="0013A20040AEBA9C" que equivale a la dirección
del enrutador.
myRemoteXBeeDevice.setIOConfiguration(act1, IOMode.DIGITAL_OUT_HIGH):
Establece en la trama la dirección del pin a utilizar y el parámetro a ejecutar, en este caso
act1=IOLine.DIO1_AD1.
myRemoteXBeeDevice.getConnectionInterface(): Genera una interrupción para conectar
con la interfaz.
myXBeeDevice.close(): Desconecta la comunicación RX-TX con el dispositivo local, dejando
el puerto libre.
Para el manejo de puertos de lectura en la interfaz primero activar el pin de lectura en el
dispositivo que se requiere, luego se genera un método en la interfaz el cual permite realizar
una interrupción para la recepción del dato. [10-13]
5. Acondicionamiento de voltajes y sensores:
Teniendo los dispositivos configurados, para facilitar la realización de las mediciones
correspondientes se procede al diseño de una tarjeta (Figura 6) que permite la regulación de
los respectivos voltajes a utilizar, principalmente a 3.3V que requieren los módulos XBee; se
cuenta con un Jumper de fácil acceso para la medición directa de la corriente consumida, así
como los circuitos necesarios para acondicionar señales tanto de entrada como de salida, tal
como se describe continuación.
Entrada de sensor resistivo, acondicionado en la configuración de divisor de voltaje, útil para
el uso de elementos sensores como termistor y LDR.
Entrada de sensor capacitivo, acondicionado mediante la configuración astable del integrado
555 con tecnología CMOS, con una ventana de uso de capacitancias entre 100pf a 250pf con
un ajuste de ganancia según la variación de la capacitancia, de acuerdo con esto, se
dictaminan los siguientes parámetros para un correcto uso:
Ajuste de resistencia para filtrado del voltaje de rizado véase la Figura 6.
Capacitancia de entrada (Cin) Resistencia de rizado
100pf ≤ Cin < 135pf 560Ω
135pf ≤ Cin < 165pf 680Ω
165pf ≤ Cin < 205pf 840Ω
205pf ≤ Cin < 250pf 1KΩ
Tabla 2. Resistencia ajustable respecto a la capacitancia de entrada, fuente: autor. [7]
Salida a actuador tipo relé dual RS SERIES de RAYEX ELEC, el cual cuenta con las
siguientes especificaciones:
AC 125V / 1.0 A DC 30V / 1.25 A
Max. Switch Current 2A Tabla 3. Datos técnicos del relé RS SERIES 5V, fuente: datasheet RS SERIES RAYEX ELEC.
Salida actuador tipo buzzer y visualización mediante LED a modo de alarma.
Figura 8. Plano circuital de la tarjeta desarrollada para las mediciones, fuente: autor. [7]
El máximo voltaje de alimentación de la tarjeta es de 15VDC; para la realización de las medidas
se hace uso de una batería de 9V, así como del multímetro CEM DT-986 que va acompañado
de la App Meterbox Pro para la captura de los datos. Dicha aplicación conectada con el
multímetro vía bluetooth, permite visualizar en tiempo real la medición realizada, el usuario
tiene la posibilidad de hacer una captura dinámica de los valores con los cuales se puede
visualizar una gráfica como la que se muestra a continuación.
Figura 9. Gráfica Meterbox Pro, fuente: autor. [7]
Así mismo, se genera un archivo .CSV con todas las mediciones que han sido guardadas, el
cual cuenta con datos como el valor máximo, valor mínimo y valor medio (Avg por sus siglas
en ingles) de la medición, lo que brinda una gran facilidad a la hora de realizar este tipo de
mediciones.
El uso de la tarjeta se aplica únicamente a los módulos XBee configurados como router y end
device en los cuales se basará el estudio, esto debido a que el coordinator estará conectado
de manera directa a un servidor el cual controlará las funciones de los demás dispositivos.
6. Mediciones realizadas
Para la elaboración del correspondiente estudio se toman las medidas de corriente consumida
por dos módulos XBee configurados uno como router (enrutador) y el otro como end device
(dispositivo final), estos son ubicados en distintos escenarios de tal manera que se puede
comparar el comportamiento que tienen cuando se encuentran con distintos elementos de por
medio como interferentes en la comunicación, se hace uso de un tercer módulo el cual es el
que genera la red en este caso se configura como coordinator (coordinador) con los
correspondientes ajustes como se ha visto en el apartado “Configuración de la red
inalámbrica ZigBee:”. Teniendo estas consideraciones, se toma el consumo de ambos
módulos; dichas mediciones se realizan de manera dinámica con una velocidad de muestreo
de 1 muestra/seg en mA, la unidad en el Sistema Internacional para el Ampere (A) En unidades
milis (mA), (véase la Figura 6) en J2 de modo que se mide únicamente el consumo del módulo
XBee.
En primer lugar, se realiza la medición de corriente en campo abierto donde no haya ningún
elemento que pueda interferir con la conexión entre los dispositivos (véase la Figura 9.). Para
este caso se realizan distintas mediciones las cuales dan el punto de partida para realizar el
análisis basado en el comportamiento de la red en un medio casi ideal, respecto al
sometimiento de los módulos a escenarios, como lo son edificios en los cuales se puede
encontrar pared de ladrillo de por medio al igual que drywall, vidrio y placa de concreto.
Figura 10. Plano de la facultad tecnológica, medición en campo abierto, fuente: Autor. [7]
Durante la medición se puede ver la variación de la señal en cada uno de los dispositivos
(véase la Figura 11). esto debido a que la medición se realiza de manera continua con el fin
de analizar el comportamiento del dispositivo en tiempo real mientras se encuentre o no
asociado a la red.
Figura 11. Medición de corriente consumida, comparación entre Router y End device, fuente: Autor. [7]
En la Figura 12 se encuentran los datos que entrega el fabricante en la hoja técnica de los
módulos, donde se expresan los consumos de corriente para los módulos XBee que varían de
acuerdo a las configuraciones preestablecidas por el software utilizado, así como las distancias
operativas haciendo hincapié en la variación propia de estos debido a varios factores como las
interferencias electromagnéticas o de materiales que pueden atenuar la potencia de la señal.
Figura 12. Tabla modificada de especificaciones del fabricante en cuanto a distancia de operación y corrientes
de consumo, fuente. [14]
Asociación Coordinator - End device Tipo de medición
Línea directa y obstáculos Distancia máxima (m)
Campo abierto. 57.4 Drywall. 6.77 Ladrillo. 4.42 Plancha de concreto. 2.875 Vidrio. 5.9
Tabla 4. Distancia máxima de comunicación entre coordinator y end device, valores en metros, fuente: Autor. [7]
Asociación Coordinator - Router Tipo de medición
Línea directa y obstáculos Distancia máxima (m)
Campo abierto. 81.4 Drywall. 6.07 Ladrillo. 6.34 Plancha de concreto. 2.875 Vidrio. 11.92
Tabla 5.Distancia máxima de comunicación entre coordinator y router, valores en metros, fuente: Autor. [7]
Asociación Coordinator – End Device
Tipo de medición Distancia (m)
Coordinator-Router Distancia (m)
Router-End device Distancia (m)
Coordinator-End Device Campo abierto. 81.4 62 143.4 Ladrillo 6.42 9.12 15.54 Drywall-ladrillo 8.32 7.12 15.44 Drywall-plancha 8.32 4.033 12.353 Plancha de concreto. 2.875 2.875 5.75 Vidrio. 11.92 16.31 28.23
Tabla 6.Distancia máxima en metros de comunicación entre coordinator, router y end device, valores en metros fuente: Autor. [7]
Se realizaron las mediciones de las distancias máximas de operatividad dentro de la red, en el
cual los dispositivos (router y end device) reciben y envían datos hacia el coordinator, de este
modo, se obtuvieron los datos de la Tabla 4 a la Tabla 6.
De la Figura 13 a la Figura 18 puede observarse el comportamiento del router en la red, en
cuanto a consumo se debe, de esta manera se pueden extraer los intervalos donde más se
acumulan las medidas realizadas, gracias al histograma que se elaboró, puede apreciarse la
tendencia de las mediciones de corriente en un ambiente no controlado, cabe notar que se
tomaron los datos de cada medición a distintas horas con el fin de tener un estimado del
consumo de este módulo.
Figura 13.Histograma y grafico de porcentajes medición en campo abierto Router, fuente Autor. [7]
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
Figura 14.Histograma y grafico de porcentajes medición en drywall-ladrillo Router, fuente Autor. [7]
Figura 15.Histograma y grafico de porcentajes medición en drywall-plancha Router, fuente Autor. [7]
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
Corriente(mA)
Figura 16..Histograma y grafico de porcentajes medición en ladrillo Router, fuente Autor. [7]
Figura 17.Histograma y grafico de porcentajes medición en pisos Router, fuente Autor. [7]
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
Corriente(mA)
Figura 18.Histograma y grafico de porcentajes medición en vidrio Router, fuente Autor. [7]
Al comparar los histogramas y gráficos asociados al router con los del End device, (véase
Figura 19 a Figura 24) se puede notar la amplia diferencia de consumo de corriente, así como
la tendencia de los datos recopilados de este último respecto a los datos router, las mediciones
se realizaron al mismo tiempo, para así poder contrastar los datos de ambos módulos.
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
Figura 19.Histograma y grafico de porcentajes medición en campo abierto End Device, fuente Autor. [7]
Figura 20..Histograma y grafico de porcentajes medición en drywall ladrillo End Device, fuente Autor. [7]
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
Corriente(mA)
Figura 21.Histograma y grafico de porcentajes medición en drywall-plancha End Device, fuente Autor. [7]
Figura 22.Histograma y grafico de porcentajes medición en ladrillo End Device, fuente Autor. [7]
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
Corriente(mA)
Figura 23.Histograma y grafico de porcentajes medición en pisos End Device, fuente Autor. [7]
Figura 24.Histograma y grafico de porcentajes medición en vidrio End Device, fuente Autor. [7]
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
mue
stra
s
Corriente(mA)
Corriente(mA)
7. Análisis de resultados
Gracias a la tabla de datos del fabricante DIGI se puede realizar la comparación de los
resultados obtenidos en las distintas mediciones, se hace una estimación del consumo para
cada situación basados en los histogramas y los porcentajes correspondientes con las
mediciones de corriente, así como la estimación de la distancia operativa de los módulos.
Para la medida en exterior o línea directa, el fabricante determino un valor de 120m como
rango de medida de operación, para el caso de las mediciones realizadas en campo abierto
se nota una disminución de la distancia del 52.5% por parte del end device asociado con el
coordinator únicamente, comparada con las especificaciones de operación, de igual manera,
para el router se tiene una disminución de la distancia del 32.17%. por otro lado, en la
asociación malla de los 3 módulos, para la asociación coordinador - router, se tiene una
distancia de operación de 81.4 que equivale a una disminución en la distancia del 32.17%, así
mismo para la asociación router - end device, se obtiene una disminución del 51.7% más baja
que en la asociación coordinador - end device, el esquema de cómo se realizaron las
mediciones se encuentra en la Figura 10.
Ahora para el caso de utilizar los módulos en interiores, el fabricante determino una distancia
de operación de 40m. Al realizar las medidas correspondientes con asociaciones uno a uno en
los diferentes espacios se comprueba las siguientes disminuciones para cada caso.
Medición Router End device Drywall. 84.8% 83.1%
Ladrillo. 84.1% 88.95%
Plancha de concreto. 92.8% 92.8%
Vidrio. 70.2% 85.41% Tabla 7. Porcentajes de (distancia de operación vs distancia hoja técnica), fuente: Autor. [7]
Estas mismas medidas se realizaron de nuevo, pero teniendo en cuenta la conexión tipo malla
establecida, de este modo, se obtuvieron los siguientes datos comparativos respecto a los que
entrega el fabricante:
Medición Coordinador-Router Router- End device
Ladrillo 83.95% 77.2%
Drywall-ladrillo 79.2% 82.2%
Drywall-plancha 79.2% 89.9%
Plancha de concreto. 92.8% 92.8%
Vidrio. 70.2% 59.2%
Tabla 8. Porcentajes de (distancia de operación vs distancia hoja técnica) en topología malla, fuente: Autor. [7]
Para el caso del módulo configurado como end device la tendencia del consumo de mantiene
en promedio en los 13.3 mA que corresponde al 33% del total de los datos de las mediciones
realizadas en todos los escenarios; de igual manera, comparando este valor de consumo, con
el que da el fabricante como corriente de reposo, la cual equivale a 15 mA, puede observarse
una disminución del 11.9%. Individualmente para los casos de las mediciones en campo
abierto y en drywall-ladrillo se tiene una disminución 13.33% respecto a la corriente de reposo
y para los demás casos (drywall-plancha, ladrillo, pisos y vidrio) se tiene una disminución del
10% únicamente. Por otro lado el router mantiene un consumo estable, como se puede
observar en la Figura 11 con un rango de 38mA a 40.5mA.
De este modo se encuentra una disminución notable del 11.8% para el end device y del 14.64%
para el router a la distancia máxima de operación alcanzada en campo abierto, respecto a los
datos en los demás ambientes, como se puede ver dichas distancias cambian de acuerdo a
los materiales interferentes y dependiendo del tipo de asociación entre los dispositivos, es decir
viendo la Tabla 5 donde se encuentran los valores de las distancias máximas medidas en la
asociación entre coordinator y el end device comparadas con la asociación de los 3 dispositivos
(router, coordinator y end device, véase Tabla 6), puede verse un aumento porcentual de la
distancia máxima de operación del 137% para el caso del drywall como elemento interferente,
así mismo, para caso del ladrillo, se tiene un leve aumento en la distancia de 101.2% respecto
a la asociación de un solo dispositivo, en este caso del router.
En la Tabla 8 se representan los porcentajes de consumo de corriente en los distintos
escenarios con respecto al dato técnico de consumo en cada configuración XBee; en una
primera instancia, las efectuadas en campo abierto sobre el dispositivo end device, asociado
con el router y el coordinator comparando con las demás mediciones, en la cual se pueden ver
los consumos máximos y mínimo que hay de la medición, así como el promedio de dicha
medición, se pueden observar las distintas variaciones entre las mediciones, esto debido a los
distintos lugares donde se realizaron las medidas, dichas variaciones son más apreciables en
el dispositivo end device, de acuerdo a los datos recopilados del consumo de energía, dichos
datos se grafican como se puede ver en la Figura 11 donde se puede apreciar en gran medida
la diferencia en consumo debido a las configuraciones de cada dispositivo.
De igual manera en la Tabla 12 en los campos de consumo máximo y mínimo de corriente ,
tiene la particularidad que esboza a grosso modo el comportamiento del end device, cuando
está asociado a la red así como cuando se pierde la conexión, los valores máximos como
40mA se deben a desconexiones del dispositivo (end device), donde aumenta la intensidad de
la señal a modo de reconexión a la red.
De igual manera se realiza la medición del consumo total de la tarjeta diseñada, con el fin de
visualizar los valores de corriente consumida.
Figura 25. Medición de corriente total consumida router y end device, fuente: autor. [7]
Dispositivo Max Min Avg sin carga
Carga 1 Carga 2
Router 140.24 0.001 78.9495 108.3543333 139.7790909 end device 85.42 0.001 34.28705455 52.71803704 85.0175
Tabla 9. medición de corriente en las tarjetas correspondientes a router y end device en mA, fuente: Autor. [7]
En la tarjeta diseñada, se realiza la respectiva medición de corriente de modo que se pueda
tener la lectura del consumo total de corriente en un ambiente controlado, cabe notar que el
comportamiento de los módulos XBee no son estables, como se verificar anteriormente en la
Figura 11, así mismo, en la Figura 25 se estiman los datos graficados de los dispositivos
mencionados. Se puede observar el comportamiento muy estable del router con los valores
promedio provistos en la Tabla 9 donde la casilla Avg es el valor promedio del consumo cuando
el router se encuentra únicamente asociado a la red o leyendo datos de n tipo de sensor, en
el caso del end device la gráfica no se representa estable, ya que contiene fluctuaciones de
corriente debido a las configuraciones de trabajo preestablecidas de comunicaciones, a su vez
se encuentran los valores promedio asociados a la activación de los actuadores previamente
dichos, como lo son el relé y la alarma tipo buzzer, elementos que aumentan en
aproximadamente 30mA cada una de las mediciones realizadas. [15]
A continuación, se muestran los espacios en los cuales se realizaron las respectivas
mediciones de corriente, para cada espacio indicado.
Figura 12. Plano de la facultad tecnológica, medición en entre drywall-ladrillo, fuente: Autor. [7]
Figura 26. Plano de la facultad tecnológica, medición en entre drywall-plancha, fuente: Autor. [7]
Figura 27. Plano de la facultad tecnológica, medición en entre ladrillo, fuente: Autor. [7]
Figura 28. Plano de la facultad tecnológica, medición en entre planchas, fuente: Autor. [7]
Figura 29. Plano de la facultad tecnológica, medición en entre vidrios, fuente: Autor. [7]
8. Aplicación:
En el estudio de consumo de energía en los módulos xbee sobre los distintos ambientes que
representan obstáculos de interferencia en conexión a la red, se determinaron picos máximos
de corriente tanto en el xbee como en la tarjeta de sensores diseñada para ser implementada
como una aplicación del consumo de energía sobre los xbee, de tal manera que se determinó
los picos máximos en cada dispositivo de la siguiente manera:
𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 = (𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋 + 𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀_𝑇𝑇𝑀𝑀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑀𝑀) (1)
𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑋𝑋𝑅𝑅_𝑇𝑇𝑇𝑇𝑅𝑅𝑇𝑇𝑋𝑋𝑅𝑅𝑇𝑇 = (42.5 𝑚𝑚𝑚𝑚 + 97.74 𝑚𝑚𝑚𝑚)
𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑋𝑋𝑅𝑅_𝑇𝑇𝑇𝑇𝑅𝑅𝑇𝑇𝑋𝑋𝑅𝑅𝑇𝑇 = 140.24 𝑚𝑚𝑚𝑚 (2)
𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸_𝐷𝐷𝑋𝑋𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑋𝑋_𝑇𝑇𝑀𝑀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑀𝑀 = (43.94 𝑚𝑚𝑚𝑚 + 41.48 𝑚𝑚𝑚𝑚)
𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸_𝐷𝐷𝑋𝑋𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑋𝑋_𝑇𝑇𝑇𝑇𝑅𝑅𝑇𝑇𝑋𝑋𝑅𝑅𝑇𝑇 = 85.42 𝑚𝑚𝑚𝑚 (3)
Se implementó la tarjeta de sensores con los módulos xbee con rendimiento al máximo de
manera autónoma y autosustentable con energía renovable. Por ende, se estima los picos
máximos de corriente de las tarjeta_xbee enlazadas en la malla (red con protocolo Zigbee),
para obtener un máximo rendimiento, una autonomía de carga máxima y duración continua de
24 horas. De tal manera que se implementa dando uso de una batería y un panel solar por
cada tarjeta para sustentar el consumo continuo durante el día.
Para el cálculo de la batería de tarjeta_Router y tarjeta_Device se toman los picos máximos
de corriente y 8.4v de alimentación en las tarjetas determinando la batería de la siguiente
manera:
Tarjeta_Router:
Imax = 140.24 mA Valimentacion = 8.4v
Primero se determina la potencia máxima consumida utilizando (2) y el voltaje de alimentacion.
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 = 𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 ∗ 𝑉𝑉𝑀𝑀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑇𝑇𝑎𝑎𝑇𝑇𝑀𝑀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 (4)
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 = 140.24𝑚𝑚𝑚𝑚 ∗ 8.4𝑉𝑉 = 1.178 𝑊𝑊 (5)
Estimando una autonomía de descarga nocturna de 14 horas, es necesario la que la potencia
máxima consumida se note reflejada en las horas estimadas, es decir que (5) se multiplica por
la cantidad de horas de consumo.
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇14ℎ= 𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 ∗ 14 ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 (6)
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇14ℎ
= 1.178𝑊𝑊 ∗ 14 ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 16.5 𝑊𝑊ℎ (7) Asumiendo que la batería no llega al 100% de su carga, se propone un valor máximo de carga
al 75% de la batería aumentando la potencia máxima (7) consumida durante 14 horas.
𝑃𝑃𝑇𝑇𝑒𝑒𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑀𝑀𝑒𝑒𝑀𝑀 = 𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇14ℎ∗ 𝑝𝑝𝑜𝑜𝑜𝑜𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑜𝑜𝑝𝑝𝑝𝑝 (8)
𝑃𝑃𝑇𝑇𝑒𝑒𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑀𝑀𝑒𝑒𝑀𝑀 = 16.5 𝑊𝑊ℎ ∗ 125% = 20.625 𝑊𝑊ℎ (9)
Teniendo en cuenta los datos calculados en (9), se recomienda la implementación de una
batería que supla la potencia estimada. Se propone una batería comercial de 3.7 v para el
cálculo de la corriente necesaria que debe entregar a la tarjeta.
𝐼𝐼𝑏𝑏𝑀𝑀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑎𝑎𝑀𝑀 = 𝑃𝑃𝑋𝑋𝑐𝑐𝑅𝑅𝐷𝐷𝑐𝑐𝑇𝑇𝐸𝐸𝑇𝑇𝑉𝑉𝑋𝑋𝑇𝑇𝑅𝑅𝑋𝑋𝑅𝑅𝐷𝐷𝑇𝑇
(10)
𝐼𝐼𝑏𝑏𝑀𝑀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑎𝑎𝑀𝑀 = 20.625 𝑊𝑊ℎ3.7 𝑣𝑣
= 5.574 𝑚𝑚ℎ (11)
De tal manera que se recomienda implementar una batería comercial que sustente por igual o
por encima de 5600 mAh a 3.7 v.
Tarjeta_Device:
Para determinar el valor comercial de la batería para tarjeta_Device se realiza de la misma
manera que se calculó la batería para la tarjeta_Router con las Ecuaciones (1-11).
Imax = 85.42 mA Valimentacion = 8.4v
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 = 𝐼𝐼𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 ∗ 𝑉𝑉𝑀𝑀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑇𝑇𝑎𝑎𝑇𝑇𝑀𝑀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 = 85.42𝑚𝑚𝑚𝑚 ∗ 8.4𝑉𝑉 = 717.528 𝑚𝑚𝑊𝑊
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇14ℎ= 𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 ∗ 14 ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇14ℎ
= 717.528 𝑚𝑚𝑊𝑊 ∗ 14 ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 10.05 𝑊𝑊ℎ
𝑃𝑃𝑇𝑇𝑒𝑒𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑀𝑀𝑒𝑒𝑀𝑀 = 𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇14ℎ∗ 𝑝𝑝𝑜𝑜𝑜𝑜𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑜𝑜𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑃𝑃𝑇𝑇𝑒𝑒𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑀𝑀𝑒𝑒𝑀𝑀 = 16.5 𝑊𝑊ℎ ∗ 125% = 12.56 𝑊𝑊ℎ
𝐼𝐼𝑏𝑏𝑀𝑀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑎𝑎𝑀𝑀 = 𝑃𝑃𝑇𝑇𝑒𝑒𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑀𝑀𝑒𝑒𝑀𝑀
𝑉𝑉𝑏𝑏𝑀𝑀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑎𝑎𝑀𝑀
𝐼𝐼𝑏𝑏𝑀𝑀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑎𝑎𝑀𝑀 = 12.56 𝑊𝑊ℎ
3.7 𝑣𝑣= 3.4 𝑚𝑚ℎ
De tal manera que se recomienda implementar una batería comercial que sustente por igual o
por encima de 3400 mAh a 3.7 v.
Para una mayor autonomía en la tarjeta se implementa un panel solar de 4 módulos para la
capacidad de carga de 37.696 W/día, calculándose de la siguiente manera:
Se toma la potencia máxima consumida por la tarjeta (5) en 24 horas.
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇 = 1.178 𝑊𝑊 * 24 horas = 28.272 W/día (12)
Para obtener de forma segura la carga, se presume un rendimiento del 75% en la potencia
máxima (12), para obtener la energía necesaria.
𝑃𝑃𝑇𝑇𝑎𝑎𝑇𝑇𝑀𝑀𝑎𝑎_𝑒𝑒𝑎𝑎𝑀𝑀 =𝑃𝑃𝑀𝑀𝑇𝑇𝑥𝑥𝐷𝐷𝑅𝑅𝐸𝐸𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐𝐷𝐷𝐸𝐸𝑇𝑇
0.75= 28.272 𝑊𝑊/𝑒𝑒𝑎𝑎𝑀𝑀
0.75= 37.696 𝑊𝑊/𝑑𝑑𝑑𝑑𝑜𝑜 (13)
Ahora es necesario conocer la radiación solar de Bogotá D.C en el mes de enero, para conocer
la capacidad de carga durante dicho mes, de este modo se obtiene las horas pico (HSP).
𝐻𝐻𝐻𝐻𝑃𝑃 = 𝑅𝑅𝑀𝑀𝑒𝑒𝑎𝑎𝑀𝑀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑒𝑒𝑎𝑎𝑎𝑎𝑀𝑀𝑇𝑇1 𝐾𝐾𝑊𝑊/𝑎𝑎2 = 4.7 𝐾𝐾𝑊𝑊ℎ/𝑎𝑎2
1 𝐾𝐾𝑊𝑊/𝑎𝑎2 = 4.7ℎ (14)
4.7 horas (14) en donde se obtiene el máximo provecho del sol para almacenar la carga
necesaria en la batería, luego se provee a hallar la cantidad de placas con un rendimiento del
80% con una potencia por panel de 2.7 W que suplan el consumo diario.
𝑁𝑁𝑚𝑚𝑑𝑑 = 𝑃𝑃𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑇𝑇𝑡𝑡_𝐸𝐸𝐷𝐷𝑇𝑇𝐻𝐻𝐻𝐻𝑃𝑃∗𝑅𝑅𝑇𝑇𝑎𝑎𝑒𝑒𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑇𝑇𝑎𝑎𝑇𝑇𝑎𝑎∗𝑃𝑃𝑝𝑝𝑇𝑇𝐸𝐸𝑋𝑋𝑡𝑡
= 37.696 𝑊𝑊/𝑒𝑒𝑎𝑎𝑀𝑀4.7∗0.8∗2.7𝑊𝑊
= 3.713 ≅ 4 𝑝𝑝𝑜𝑜𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑜𝑜 (15)
Para suministrar la carga diaria es conveniente implementar 4 paneles solares (15) y de este
modo se suple el consumo diario de la tarjeta funcionando de manera autónoma y con energía
solar renovable. [16]
9. Conclusiones.
Los consumos de corrientes del módulo configurado como end device son inferiores en un
38.5 % con respecto a los consumos del router, esto se debe a que el dispositivo end device
no realiza funciones de enrutamiento en la malla ni provee transmisión de datos a otro radio
de su clase, lo cual descansa (duerme) disminuyendo su consumo mientras no se encuentre
en modo de operación.
Se implementó del protocolo ZigBee en los XBee s2 en conectividad mesh y se demostró la
conectividad de la red bidireccional entre coordinator-router y mono direccional en end device-
router y la calidad de transmisión, siendo así una comunicación segura mientras los
dispositivos origen-destino no salgan de la cobertura de la malla según las condiciones de
ambiente del lugar. Esta conectividad además de ser segura, eficiente y robusta disminuyo el
consumo de energía total que se proporciona en la red, desactivando nodos de comunicación
innecesarios en la transmisión de radio a radio, por ende, este protocolo proporciona una mejor
eficiencia y lógicamente una complejidad en las tramas con respecto a los comandos AT que
proporciona de manera automática la trama a enviar.
Se diseñó una interfaz en java incorporando la librería XBee.java de DIGI para el manejo de
los módulos XBee, contando con un área de mando con XBee local para el control de los XBee
remotos. Esta interfaz tiene control sobre el emulador puerto serial, activando el puerto cuando
se transmite datos a dispositivos remotos, luego lo desactiva para no tener un proceso
adicional en su ejecución, contando con manejo de salidas digitales y entradas análogas en
los módulos.
La realización de las mediciones con diferentes configuraciones, como lo fueron de dispositivos
uno a uno y de la red propuesta, se pudo denotar la variación del consumo en el router de
acuerdo con esto, en la asociación entre router y coordinator se tiene un consumo promedio
de 40.185 que al compararse con el consumo promedio de este mismo dispositivo ya en la red
coordinator, router y end device, puede evidenciarse la disminución de la corriente del 2.6%.
De igual manera para las mediciones en el end device donde en la asociación con el
coordinator tiene un consumo promedio de 15.1mA y al realizar las mediciones en para la red
con los 3 dispositivos asociados, ya mencionados la disminución de la corriente consumida es
del 1.83% respecto a esta última.
Al realizar la medición sobre el dispositivo configurado como router, los valores de corriente
promedio medidos en cada uno de los ambientes establecidos, resulto ser muy similar entre
sí, sin tener en cuenta el estado de conexión o desconexión con el coordinator, caso contrario
ocurre con el dispositivo end device, el cual al desconectarse de la red aumenta en gran
medida su corriente, por encima de los 40mA, esto para evitar la desconexión aumentando de
igual manera la potencia de la señal y disminuye aproximadamente a 0.3 mA cuando se sale
de la red para luego volver a tener un consumo de corriente alto durante un corto instante, se
asume que esto se debe a los intentos de reconexión del dispositivo, ya que al estar de nuevo
colgado a la red, este continua con su consumo habitual de corriente promedio de 15.09mA.
En las mediciones sobre el end device, al aumentar la distancia de este respecto a los demás
dispositivos, la corriente promedio empezaba a aumentar acercándose a valores por encima
de los 30mA tal efecto se vio debido a perdida en los datos trasmitidos o datos corruptos, que
al no ser procesados generaban un cambio en la frecuencia de recepción dando “saltos” entre
paquetes recibidos, como consecuencia, el dispositivo aumentaba su consumo para aumentar
la potencia de la señal y evitar de este modo los “errores” y la perdida de información.
Bibliografía
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[16] M. G. Molina, M. E. Andreoni López, and F. J. G. Mantiñan, “MONITOREO Y CONTROL
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UTILIZANDO EL PROTOCOLO ZIGBEE * CONICET , Instituto de Energía Eléctrica ,
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