Monitorización energética inalámbrica frente a cableada en edificios existentes

Elija la ruta de datos punto por punto. Si la acometida principal ya dispone de un contador Modbus en un bus RS-485 operativo, léalo allí. Si un cuadro de distribución situado tres plantas más arriba no tiene contador ni recorrido para cable, un contador inalámbrico evita tender el cable, instalar su canalización y sellar los pasos contra incendios en cada planta.

Esta guía forma parte de la serie sobre medición y transformadores de corriente.

Tres decisiones para cada punto

Para cada punto de medida, decida tres cosas:

1. Medición. ¿Qué magnitud se necesita y qué contador o sensor la mide?
2. Alimentación. ¿Se alimenta el dispositivo del circuito que mide, de una fuente aparte o de una batería?
3. Ruta de datos. ¿Cómo llegan las lecturas al Gateway: por radio, un bus RS-485, Ethernet o una entrada de impulsos?

Estas decisiones se condicionan entre sí. Los envíos frecuentes consumen más energía de la batería. Un dispositivo final Zigbee no enruta tráfico; un equipo solo actúa como enrutador si su implementación admite esa función. Compruebe la función del equipo y los límites de envío en su especificación. La ruta de datos no cambia la medición. La exactitud depende del contador y de sus transformadores de corriente: por ejemplo, clase 1 según IEC 62053-21 o clase 0,5S según IEC 62053-22 para el contador, e IEC 61869-2 para los transformadores. Muchas fichas técnicas indican la clase del contador por sí solo; el error de los transformadores se añade al suyo.

Comparar los trabajos de instalación

El trabajo en el contador y sus transformadores de corriente es el mismo en ambas columnas. La diferencia está en el cable de datos. Para cada punto, contabilice la longitud y canalización del cable, cada patinillo o pared de compartimento contra incendios que deba sellarse, el puerto de conmutador y la aprobación informática para un contador Ethernet, el acceso fuera de horario en un edificio ocupado y el tiempo de puesta en marcha.

Un bus RS-485 se conecta en cadena. Un cable admite hasta 32 cargas unitarias a lo largo de hasta 1.000 m a 9.600 baudios con cable AWG 26 o más grueso (guía de la línea serie Modbus). Por tanto, el coste del cableado aumenta más con la distancia entre puntos que con su cantidad. M-Bus (EN 13757), el bus de dos hilos de muchos contadores de calor y agua, también permite compartir un cable entre todos los contadores. Ethernet necesita un tendido y un puerto de conmutador por contador. La calculadora de recuperación de la inversión en monitorización energética compara el coste de equipos e instalación con el ahorro previsto.

Elegir la red según la carga de trabajo

Zigbee funciona a 2,4 GHz y todos los dispositivos de una red comparten un canal de 250 kbit/s. Un informe de unos 60 bytes ocupa el aire unos 2 ms; cada salto añade unos 4 ms de tiempo de canal al incluir el acuse de recibo y la espera aleatoria. Supongamos 200 contadores que informan cada minuto a través de tres saltos de media: ocupan unos 40 ms de cada segundo, el 4 % del canal. Con informes cada 5 segundos, la misma red necesita aproximadamente el 48 %; en una red CSMA-CA se pierden tramas mucho antes de llenar por completo el canal. Mantenga la mayoría de los puntos a un minuto o más, y utilice intervalos más rápidos solo donde el análisis lo necesite. Los dispositivos alimentados desde la red eléctrica suelen actuar como enrutadores y retransmiten tráfico de sus vecinos. Los dispositivos con batería suelen funcionar como dispositivos finales que no enrutan tráfico. Por ello, la red mallada crece con los equipos alimentados y puede buscar otra ruta si falla un enrutador. El acero es el principal obstáculo: un armario cerrado de acero con la radio dentro puede bloquear por completo el enlace.

LoRaWAN utiliza bandas inferiores a 1 GHz (de 863 a 870 MHz en Europa) y una topología en estrella. Cada dispositivo se comunica directamente con una o varias pasarelas LoRaWAN. El alcance es largo, pero el tiempo de transmisión es escaso. Los canales EU868 predeterminados ocupan subbandas con un límite de ciclo de trabajo del 1 % según ETSI EN 300 220-2. Una lectura con 10 bytes de carga útil ocupa el aire unos 62 ms en SF7 y unos 1,5 s en SF12. Estos tiempos suponen 125 kHz de ancho de banda, codificación 4/5, preámbulo de ocho símbolos, cabecera explícita, CRC y 13 bytes adicionales de LoRaWAN. En SF12, el dispositivo debe esperar después unos 147 s antes de volver a transmitir en esa subbanda. El entorno público de pruebas de The Things Network también limita cada dispositivo a 30 s de transmisión de subida al día, equivalentes a unas 20 lecturas diarias en SF12. Elija el intervalo según la configuración de radio real, los límites regionales y la política de red. En SF12, un intervalo de 15 minutos o una hora supera el límite Sandbox anterior; no es posible enviar cada minuto en este ejemplo SF12/1 %. La guía de Zigbee y LoRaWAN compara ambos con más detalle.

Un bus RS-485 sondeado tiene un peor tiempo de respuesta que puede calcularse. Supongamos 12 contadores en un bus a 9.600 baudios con paridad par, es decir, 11 bits por carácter. El maestro lee 20 registros de cada contador en una petición. La petición ocupa 8 bytes (9,2 ms) y la respuesta 45 bytes (51,6 ms). Añada 20 ms de demora de respuesta del contador y el silencio entre tramas de 3,5 caracteres (4,0 ms). Un intercambio dura unos 85 ms y un ciclo del bus unos 1,0 s. A 19.200 baudios, el ciclo baja a unos 0,63 s. Un contador que no responde consume todo el tiempo de espera en cada intento: con 1 s de espera y dos reintentos, un contador fuera de servicio añade 3 s a cada ciclo. La calculadora de tiempos de Modbus RTU calcula el ciclo para su bus; la guía de cableado RS-485 explica la terminación, la polarización y las direcciones.

Qué ocurre cuando falla un enlace

Decida qué deben mostrar los datos de cada punto cuando falla su enlace.

Los datos que llegan tarde requieren tres comprobaciones en el sistema receptor. Debe conservar la marca temporal de medición, no la de llegada (hora de origen y hora de llegada). Debe eliminar duplicados cuando el búfer reenvía lecturas. Y debe volver a calcular los totales de intervalo que ya haya publicado.

Pruebe cada fallo en la instalación piloto: un dispositivo apagado, un reinicio del Gateway y una interrupción del enlace ascendente más larga que el intervalo de información. Registre lo que muestran los datos. La guía de almacenamiento de datos explica la diferencia entre un registro local y uno entregado.

Seguridad e incorporación

Zigbee 3.0 cifra el tráfico de red con AES-128 mediante una clave de red. Un dispositivo nuevo solo puede incorporarse mientras la red admite incorporaciones. Ábralas durante unos minutos, empareje un dispositivo, compruebe sus datos y vuelva a cerrarlas. LoRaWAN utiliza claves AES-128. OTAA deriva claves de sesión durante la incorporación; ABP las configura previamente. Las claves del servidor de red y del servidor de aplicaciones tienen funciones distintas: identifique el método de activación y quién gestiona cada clave y cuenta. Modbus RTU no ofrece autenticación ni cifrado. Un dispositivo capaz de inyectar peticiones válidas puede intentar las lecturas y escrituras admitidas por el servidor. Los registros de entrada son de solo lectura; los registros de retención pueden ser escribibles si el dispositivo lo permite. Controle el acceso físico al cable y al Gateway.

En una ruta exterior, la visión directa es solo una parte de la inspección. Compruebe la primera zona de Fresnel alrededor del rayo directo a la altura del obstáculo. Introduzca la separación libre después de considerar el terreno y la curvatura terrestre; la vegetación, los reflejos y las interferencias siguen necesitando una evaluación sobre el terreno.

Planificar la prueba piloto

1. Enumere cada punto con su medición, alimentación, ruta de datos e intervalo de información.
2. Elija el emplazamiento más difícil para la prueba: la sala de máquinas del sótano, el cuadro revestido de metal o el edificio alejado. Una prueba en una oficina abierta no muestra cómo se comporta la red mallada a través de una losa de sótano o un cuadro de acero cerrado.
3. Inspeccione la radio en las posiciones reales de los dispositivos, con las puertas de los cuadros cerradas. IEEE 802.15.4 exige una sensibilidad del receptor a 2,4 GHz de −85 dBm o mejor; la mayoría de los chips actuales alcanzan unos −100 dBm. Mantenga un margen de al menos 15 dB entre la señal recibida y la sensibilidad del chip, porque cambian las puertas, las personas y las existencias. Los indicadores de calidad del enlace son relativos y varían entre chips, así que no acepte un enlace basándose en una sola lectura. Cuente los informes recibidos frente a los esperados durante al menos 24 horas con el intervalo de información definitivo.
4. Ponga en marcha cada punto desde el conductor hasta el informe y pruebe los fallos anteriores.
5. Registre qué debe cambiar antes del despliegue y quién es responsable de cada cambio. La guía para elegir un sistema de monitorización energética convierte los resultados en una comparación entre proveedores.

La lista de comprobación de puesta en marcha enumera las pruebas que deben conservarse.

Monitorización por cable e inalámbrica con EpiSensor

El Gateway ZGW-20 ejecuta Edge y reúne ambos tipos de datos en un sistema. Un Gateway admite 250 dispositivos inalámbricos. Los dispositivos inalámbricos de EpiSensor envían informes por su red mallada Zigbee. Pueden estar separados hasta 50 m en interiores y 300 m en exteriores; cada dispositivo alimentado desde la red eléctrica añade de media unos 1.000 m² de cobertura de planta. El analizador eléctrico ZEM tiene clase 0,5S según IEC 62053-22 para el conjunto del contador y sus sensores de corriente.

Edge lee contadores Modbus cableados mediante Modbus TCP o RS-485 y sondea equipos BACnet/IP en la red del edificio. Los sensores LoRaWAN llegan a Edge a través de un servidor de red LoRaWAN. Cuando un contador cableado está lejos del Gateway, una interfaz Modbus ZMB sondea hasta 30 de sus registros a través de un enlace RS-485 local corto y los envía por la red mallada. Una interfaz M-Bus ZHM hace lo mismo con un contador de calor M-Bus cableado.