1. Introducción
La iluminación es un factor primordial en la vida diaria de los humanos, puede afectar directamente a la salud y al rendimiento de las personas. Por esta razón es importante contar con una iluminación adecuada dentro de cada ambiente. Existen varios factores que llevan a la creación de un ambiente sano en términos de iluminación, estos son: la intensidad luminosa, el color, espectro de la luz y el ciclo de iluminación durante el día.
Una de las principales fuentes de consumo energético en los hogares es la iluminación, si consideramos que todavía se utilizan tecnologías anticuadas e ineficientes y que dependen de los hábitos de consumo de las personas podemos ver como existen grandes posibilidades de mejora en este campo.
En la actualidad con la implementación de nuevas tecnologías se han desarrollado una amplia variedad de “focos inteligentes” que están disponibles en el mercado. Muchos de los cuales comparten características comunes y utilizan tecnologías similares. Entre las características principales que ofrecen estos dispositivos tenemos el control de nivel y de tono mediante aplicaciones especiales para teléfonos inteligentes, la detección de presencia para controlar el encendido y apagado y la posibilidad de programar horarios de funcionamiento. Sin embargo, el nivel de automatización es bastante bajo en la mayoría de modelos. Los fabricantes más relevantes en el momento son: Belkin, Stack y Sengled entre otros.
La implementación de un sistema de control de iluminación puede representar un ahorro energético de hasta un 35% de acuerdo con la Agencia Internacional de energía (2015), estas cifras han llevado a un incremento en el uso de sistemas avanzados de control de iluminación, principalmente en los sectores comercial y público en los cuales la iluminación representa una gran parte del consumo eléctrico. Los sistemas de control de iluminación se clasifican en dos grupos: control On/Off y control de nivel.
El primero utiliza detectores de ocupación o temporizadores para apagar las luces cuando no son necesarias. Este tipo de sensores pueden ser montados en las paredes o techos de acuerdo con la habitación. El segundo utiliza foto detectores y un regulador de intensidad de manera que el nivel de iluminación se ajuste de acuerdo con el nivel de luz natural que exista, manteniendo un nivel predeterminado. En comparación con el sistema de control On/Off estos ofrecen una mayor posibilidad de ahorro y una mejor adaptación con las necesidades de las personas. (Yoshihisa, 2009)
Con estos antecedentes se propuso el diseño de una lámpara Led que mediante sensores integrados y un sistema de control, responda de manera inteligente a los cambios en su entorno al comprobar el nivel de iluminación, el tono de la luz y su encendido y apagado. La ventaja principal de esta lámpara es el hecho que tiene los dos tipos de sistemas de control y el elemento emisor de luz contenidos dentro de un mismo dispositivo, lo cual facilita su implementación.
2. Metodología
La metodología implementada para el desarrollo del prototipo fue el llamado Modelo V que se describe en la Figura 1 (Ingenieure, 2004). En esta se pueden ver los pasos a seguir para obtener un producto a partir de una lista de requerimientos, como el diseño del sistema, el modelamiento y análisis y la integración del sistema.
La estructura básica de un sistema mecatrónico propuesta por Verein Deutscher Ingenieure (2004) consta de: fuente, actuadores, sistema base, sensores, procesamiento de la información, ambiente y usuario. Al adaptar estos elementos al proyecto obtenemos como resultado la Figura 2 que indica el diseño general del prototipo de lámpara inteligente. En esta podemos ver como la fuente de 9V potencia los LEDs, los sensores detectan cambios en el entorno y los envían al sistema de control, el usuario, mediante los selectores establece los parámetros funcionales de la lámpara. Todos los elementos están interconectados con el sistema eléctrico y soportados por la carcasa.
2.1. Sistema eléctrico
El diseño del sistema eléctrico consta de tres partes fundamentales, la primera está formada por el circuito de iluminación es decir el arreglo de LEDs, las resistencias y los transistores necesarios para la operación del circuito. La segunda parte consta de un circuito lógico de control que interconecta los componentes electrónicos y permite el control de todo el sistema. Finalmente, la tercera parte está formada por la fuente de potencia que otorga el voltaje y la corriente necesarios para la operación de todos los componentes.
Figura 1
Modelo V para el desarrollo de sistemas mecatrónicos
Verein Deutscher Ingenieure (2004)
Figura 2
Estructura básica del prototipo de lámpara inteligente
El arreglo de leds consta de 24 LEDs SMD 5050 y 12 leds de 5mm. Los 24 LEDs SMD 5050 son los encargados de generar la totalidad del flujo luminoso es decir los 600lm, mientras que los LEDs de 5mm son los encargados de generar el tono cálido de la luz. La Figura 3 muestra la placa electrónica en la cual se montarán todos los componentes. De acuerdo con el diseño realizado, el circuito de iluminación tiene una corriente de consumo máximo de 260 mA.
Figura 3
Diseño de la placa electrónica para el circuito de iluminación
Figura 4
Diagrama de conexión del circuito lógico de control
El circuito lógico de control tiene como centro un microcontrolador ATmega 328 representado en forma de un Arduino Nano, además consta de dos sensores (DSN-FIR800 y TSL2561) y un selector para el ajuste de los parámetros de operación. El circuito de control posee una corriente máxima de consumo de 155mA. Ya que el diseño físico requiere que los diferentes elementos del circuito lógico se encuentren en lugares distintos dentro del prototipo no se los puede incluir a todos en una sola placa electrónica. La Figura 4 muestra el diagrama de conexión de este circuito.
La fuente de poder mostrada en la Figura 5, tiene como función principal la conversión del voltaje de 110VAC a 9VDC, esto se logró mediante la aplicación de una fuente capacitiva sin transformador con un rectificador tipo puente (Reston, 2004). Los datos iniciales para el diseño fueron: una corriente de salida de 450mA, un voltaje de salida de 9V, el voltaje de entrada que es de 110VAC y la frecuencia de 60Hz.
Figura 5
Diseño circuito para fuente de poder
2.2. Carcasa y luminaria
Para el diseño externo de la lámpara se tomaron como referencias productos existentes y se llegó a la forma de disco convexo que sirvió como base para generar el diseño, la cubierta y luminaria. Como punto de partida se tomó a la cubierta por ser la pieza más grande del prototipo y a la cual van sujetos la mayor parte de los componentes. Se estableció un diámetro de 180 mm, el cual da el espacio suficiente para alojar los componentes, manteniendo un diseño compacto.
La luminaria protege a los componentes internos y permite el paso de la luz generada por el arreglo de LEDs, por esta razón es necesario que el material sea traslucido. Adicionalmente a estos componentes se fabricó un contenedor que aísle los sensores de movimiento y de luminosidad de las posibles interferencias generadas por el cuerpo emisor. El contenedor de los sensores, al igual que la cubierta fueron impresos en 3D con ABS como material. Las diferentes piezas fueron modeladas de manera digital y se las puede observar en un ensamblaje parcial en la Figura 6.
Figura 6
Ensamblaje parcial de los componentes
2.3. Sistema de control
El algoritmo de control que gobierna el sistema sigue el diagrama de flujo de la Figura 7, el cual empieza por tomar los valores óptimos de iluminación y tono, los cuales se pueden observar en la Tabla 1. Luego realiza la calibración del sensor de movimiento e ingresa a un bucle en el cual se verifica constantemente el sensor de movimiento; en el caso que este detecte movimiento se realiza una lectura del sensor de iluminación para determinar si hace falta encender la lámpara y en qué modo. Si se necesita encender la lámpara se regula la intensidad lumínica mediante un controlador PID.
Tabla 1
Valores óptimos de iluminación y tono
| Habitación | Numero en selector | Nivel mínimo (lx) | Nivel óptimo (lx) | Tono diurno | Tono nocturno |
|---|
| Dormitorios | 1 | 100 | 150 | Blanco | Cálido |
| Cuartos de aseo | 2 | 100 | 150 | Blanco | Cálido |
| Cuartos de estar | 3 | 200 | 300 | Cálido | Cálido |
| Cocinas | 4 | 100 | 150 | Blanco | Cálido |
| Cuartos de trabajo/estudio | 5 | 300 | 500 | Blanco | Blanco |
Figura 7
Diagrama de flujo del algoritmo de control
El controlador PID controla la intensidad del flujo luminoso en función del nivel de luz medido por el sensor de luminosidad de modo que se obtenga un nivel de luminosidad estable, a pesar de las variaciones que pueden existir en el ambiente. Se utilizó el método de sintonización manual (“Sintonización de controladores por método heurístico,” n.d.) bajo el cual se obtuvieron valores de Kp= 1, Ki=0.0001 y Kd=0.0001 con los cuales el sistema alcanza el valor de referencia de manera rápida y sin un error significativo, como se puede observar en la Figura 8, el tiempo de estabilización del sistema es de 200 mili segundos aproximadamente.
Figura 8
Tiempo de respuesta del controlador PID
3. Resultados y discusión
La toma de datos de iluminación se realizó en un ambiente controlado, pero no aislado de la iluminación natural, se tomaron medidas a diferentes horas del día y bajo diferentes condiciones climáticas para obtener datos válidos.
3.1. Área optima de iluminación
Para el cálculo del área óptima de iluminación se utilizó el método de la cavidad zonal (Laszlo, 2010). Basado en las tablas propuestas por el manual de luminotecnia de Laszlo (2010) se obtuvo un coeficiente de iluminación (cu) en el rango de 0.38 a 0.48 si se toma en cuenta una reflectancia de pared y techo igual al 70%, la cual depende del acabado superficial que posean las mismas. Entonces se puede aplicar la ecuación (1) despejando la variable de superficie, para obtener un rango del área óptima de iluminación. En la Tabla 2 se pueden observar los datos necesarios para el cálculo del área óptima de iluminación y como esta depende de la altura h, para el cálculo se han tomado valores entre 1.2 y 1.7 metros pues es el rango promedio de altura del plano de trabajo de una habitación estándar.
Tabla 2
Rango de superficies optimas de iluminación.
|
ϕt(lm)
| fm | Em(lux) | h(m) | cu | S(m²) |
| 907.2 | 1 | 150 | 1.2 | 0.38 | 2.30 |
| | | | 1.3 | 0.4 | 2.42 |
| | | | 1.4 | 0.42 | 2.54 |
| | | | 1.5 | 0.44 | 2.66 |
| | | | 1.6 | 0.46 | 2.78 |
| | | | 1.7 | 0.48 | 2.90 |
Donde:
h = es la distancia que existe entre la luminaria y el plano de trabajo en metros
3.2. Resultados de iluminación
Las medidas de iluminación fueron tomadas en dos circunstancias diferentes: un día soleado y un día nublado, en cinco habitaciones distintas que corresponden a los distintos modos de funcionamiento de la lámpara y a diferentes horas del día. En la Tabla 3se pueden apreciar, los datos obtenidos de la medición del nivel de iluminación en cada una de las habitaciones. Se encuentran resaltados los valores correspondientes a los períodos en los cuales la lámpara se encuentra encendida. Todos los valores se miden en luxes.
Tabla 3 .
Resultados de iluminación de acuerdo con la habitación
En todos los casos existen horas del día en los cuales la lámpara no se enciende dado que los niveles de luminosidad natural superan los niveles mínimos sugeridos mostrados en la Tabla 1.
3.3. Luminancia y calidad del haz de luz
Para determinar la calidad de haz de luz producida por la lámpara se tomaron tres medidas en distintos puntos dentro del área óptima calculada como se muestra en la Figura 9. El primer punto se encuentra directamente debajo de la luminaria, el punto dos está a 0.38 metros del primero y el tercer punto se encuentra en el borde del área óptima es decir a 0.75 metros de P1. Todos los puntos se encuentran sobre el plano de trabajo situado a 1.2 metros de la luminaria.
Los resultados se muestran en la Figura 10 donde se puede apreciar un decaimiento considerable a medida que el punto de medición se aleja del centro del área óptima, es decir deja de ser perpendicular a la luminaria, esto demuestra que el haz de luz tiene un ángulo reducido que afecta a la luminancia percibida en el ambiente. A una distancia superior a los 0.5 metros la luminancia cae por debajo del nivel mínimo establecido de 120 lx.
Figura 9
Puntos de medición de luminancia
Figura 10
Decaimiento de la intensidad luminosa en función de la distancia
4. Conclusiones y recomendaciones
Se determinó que la intensidad luminosa y el tono de la luz son los factores físicos más importantes al momento de ofrecer un sistema de iluminación ergonómico, por esta razón se diseñó el prototipo con cinco modos de fruncimiento: dormitorio, baño, sala de estar, cocina y estudio.
Se creó una lámpara con un diseño compacto y de fácil implementación que remplazaría fácilmente a los focos tradicionales.
Se generó un algoritmo de control que gobierna el funcionamiento automático de la lámpara con ayuda de un controlador PID.
El componente que presentó la mayor dificultad para su fabricación fue el arreglo de LEDs pues la tecnología disponible en el país es limitada. Si bien se alcanzó el flujo luminoso de 800lm propuesto, el haz de luz pierde intensidad con la distancia y no se genera una iluminación uniforme en el plano de trabajo.
Las pruebas demostraron que la lámpara mantiene los niveles óptimos en muchos casos a pesar de estar instalada en habitaciones con dimensiones superiores a el área óptima calculada.
A futuro se podrían buscar alternativas para la ubicación del sensor de luminosidad u otros métodos de compensación que ayuden a eliminar los errores de lectura de los niveles de intensidad luminosa que existen en el ambiente.
Otro tema que se podría revisar es la posibilidad de implementar tecnologías de comunicación inalámbrica como bluetooth o wi-fi que, en conjunto con una aplicación móvil o web, permitan el control manual de los parámetros de la lámpara inteligente, así como la posibilidad de programar horarios y alarmas en el dispositivo.
Finalmente sería recomendable investigar sobre la posibilidad de implementar algoritmos de aprendizaje de modo que el dispositivo pueda adaptarse de mejor manera a su entorno y al usuario en particular.
