Desarrollo de sistema de gestión y monitoreo de consumo para paneles solares usando comunicación LoRa y procesamiento de datos en tiempo real

Hardware y módulos del sistema

Selección de sensores y periféricos según rango eléctrico de los paneles, condiciones de campo, respaldo energético y comunicaciones (I²C, 1-Wire, RS485, LoRa).

1. Sensor de corriente ACS758-100

   Sensor de efecto Hall para medir corriente continua (DC) o alterna (AC) hasta ±100 A. Salida analógica proporcional a la corriente. Baja pérdida de potencia (resistencia interna de 100 µΩ). Alimentación: 5 V / 3,3 V. Apto para control y monitorización de potencia.

   Criterio de selección: se escogió en función de la corriente máxima de los paneles, con un rango superior para operar de forma segura en picos de corriente.

2. Sensor SHT10

   Sensor digital de temperatura y humedad relativa. Comunicación I²C (dos hilos). Rango: temperatura −40 a 125 °C; humedad 0 a 100 % HR. Precisión: ±0,5 °C y ±4,5 % HR. Muy bajo consumo, adecuado para alimentación a batería.

   Criterio de selección: buena resistencia a condiciones exteriores; permite medir temperatura ambiente para contrastarla con la temperatura en el panel.

3. Módulo XY-K485

   Convertidor de nivel lógico TTL a RS485. Comunicación serie a larga distancia (hasta ~1 km). Control automático de dirección de flujo (sin pin extra de control). Velocidad hasta 256 000 baudios. Alimentación: 3,3 a 30 V CC.

   Uso previsto: comunicación entre la placa Heltec ESP LoRa y el sensor de voltaje con interfaz RS485.

4. RTC DS3231

   Reloj en tiempo real de alta precisión. Oscilador compensado por temperatura (TCXO). Deriva típica menor que ±2 minutos al año. I²C, batería de respaldo (CR2032). Alarma programable y salida de onda cuadrada.

   Objetivo: que el nodo emisor conserve fecha y hora y no se pierda el registro temporal de los datos ante cortes de energía o fallos del sistema, facilitando la correlación de incidencias.

5. Fuente HLK-10M05

   Fuente conmutada AC-DC compacta. Entrada: 85–265 V CA. Salida: 5 V CC / 2 A (10 W). Aislada, encapsulada, montaje tipo DIP. Apta para alimentar microcontroladores y sensores desde red eléctrica.

   Objetivo: alimentar el sistema desde la red cuando esté disponible.

6. Peacefair PZEM-003-10A (voltímetro + amperímetro DC)

   Medidor de energía en corriente continua. Mide voltaje (0–300 V), corriente (0–10 A), potencia y energía. Comunicación RS485 con protocolo Modbus-RTU.

   Criterio de selección: permite medir el voltaje de los paneles con un rango seguro respecto al voltaje máximo esperado.

7. Sensor DS18B20

   Temperatura digital con bus 1-Wire. Rango: −55 a +125 °C. Precisión ±0,5 °C (entre −10 y +85 °C). Cada sensor tiene dirección única (varios sensores en un solo bus). Alimentación: 3,0 a 5,5 V; modo parásito opcional.

   Objetivo: medir la temperatura del panel solar.

8. Convertidor DC-DC elevador (Micro USB 2 A, SDB628 / XY-016)

   • Entrada: 2–24 V
   • Salida máxima: >28 V (uso recomendado hasta ~26 V)
   • Eficiencia: >93 %
   • Dimensiones aprox.: 30×17×14 mm
   • Corriente de pico de salida: no superar 2 A

   Función: elevador de tensión para suministrar ~5 V a los componentes que lo requieran (por ejemplo el canal de medida de voltaje).

9. Batería LiPo 4000 mAh

   Si falta red eléctrica, el sistema puede seguir enviando información para detectar fallos o periodos sin generación.

10. Módulo microSD

    Almacenamiento local de respaldo en el nodo que transmite. Permite comparar con los datos recibidos en el receptor, verificar pérdida de enlace y conservar copia ante cortes de comunicación.

11. Heltec WiFi LoRa 32 (V3)

    Placa de desarrollo IoT que combina ESP32-S3 con radio LoRa de largo alcance, en formato compacto y orientado a bajo consumo.

    Microcontrolador (ESP32-S3FN8): SoC dual-core Xtensa® 32 bit (LX7), hasta 240 MHz. Flash interna 8 MB (SiP). SRAM 512 KB.

    Conectividad:

    • WiFi 802.11 b/g/n (hasta ~150 Mbps), antena de resorte 2,4 GHz.
    • Bluetooth 5.0 (BLE).
    • LoRa: chip Semtech SX1262. Banda sintonizable ~470–510 MHz u 863–928 MHz. TX máx. ~21±1 dBm (~125 mW). Sensibilidad RX hasta −134 dBm (SF12, BW 125 kHz). Conector IPEX/U.FL para antena externa.

    Periféricos: OLED 0,96″ 128×64, cargador LiPo integrado (conector SH1.25-2), USB-C (programación), ~36 GPIO (7× ADC, 7× touch, 3× UART, 2× I²C, 2× SPI, etc.), USB-serie CP2102.

    Alimentación: lógica 3,3 V; alimentación por USB-C o batería LiPo 3,7 V. Modos de bajo consumo y deep sleep (<10 µA) para despliegue remoto.

Diseño de circuitos

Para el diseño esquemático y PCB se utilizará EasyEDA: entorno gratuito y abierto, con biblioteca de componentes y máscaras de soldadura listas para fabricación.

Plan de muestreo de campo

Entre 6:00 y 18:00, registrar aproximadamente 30 muestras cada 2 segundos por hora (o más), durante 12 horas de ventana útil solar, repetido durante 20 días, para caracterizar el comportamiento diario y la variabilidad entre días.

A. Variables eléctricas críticas

Obligatorias para cumplir los objetivos de monitorización energética.

B. Variables ambientales

A partir del conjunto eléctrico + ambiental se derivan indicadores como:

• Potencia instantánea
• Energía generada
• Eficiencia del sistema fotovoltaico
• Índice de pérdidas

Dinámica del sistema solar

Los paneles no cambian de forma abrupta: las variaciones relevantes provienen del paso de nubes, la temperatura, la carga conectada, sombras, la orientación solar y efectos acumulativos del día. Por ello el esquema de muestreo puede espaciarse de forma coherente con la física del fenómeno (ver tabla de frecuencias).

Frecuencias recomendadas de adquisición