MONITOREO DE
PARÁMETROS ELÉCTRICOS EN BAJA
TENSIÓN CON ARDUINO PARA USO
EFICIENTE DE ENERGÍA ELÉCTRICA
MONITORING LOW VOLTAGE ELECTRICAL PARAMETERS
WITH ARDUINO FOR EFFICIENT ENERGY USAGE
Yaritza Anayeli Barrientos Rebollar
Tecnológico Nacional de México
Juan Gabriel Hernández Vásquez
Tecnológico Nacional de México
Luis Alberto Leon Bañuelos
Tecnológico Nacional de México
Rene García Martínez
Tecnológico Nacional de México
pág. 8680
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i6.15563
Monitoreo de Parámetros Eléctricos en Baja Tensión con Arduino para uso
Eficiente de Energía Eléctrica
Yaritza Anayeli Barrientos Rebollar1
0612yabr@gmail.com
https://orcid.org/0009-0004-4892-8948
Tecnológico Nacional de México
TES Valle de Bravo, División de Eléctrica
México
Juan Gabriel Hernández Vásquez
juan.hv@vbravo.tecnm.mx
https://orcid.org/0000-0003-1335-840X
Tecnológico Nacional de México
TES Valle de Bravo, División de Eléctrica
México
Luis Alberto Leon Bañuelos
luis.lb@vbravo.tecnm.mx
https://orcid.org/0000-0003-0332-6228
Tecnológico Nacional de México
TES Valle de Bravo, División de Ingeniería
en Sistemas Computacionales
México
Rene García Martínez
rgm1117@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-8756-2078
Tecnológico Nacional de México
TES Valle de Bravo
División de Ingeniería Forestal
México
RESUMEN
El proyecto se centró en el diseño y desarrollo de un módulo de monitoreo de parámetros eléctricos,
específicamente enfocado en la medición de voltaje y corriente utilizando un microcontrolador de
Arduino UNO. Este módulo facilita la obtención de potencias eléctricas como la activa, reactiva y
aparente del sistema eléctrico que se está monitoreando. Las mediciones se llevan a cabo por medio de
transductores especializados y circuitos impresos de acondicionamiento que envían señales analógicas
al Arduino UNO. El microcontrolador procesa las señales analógicas y las convierte en digitales en
tiempo real utilizando un código desarrollado específicamente para este propósito. Una vez procesados,
los datos se registran en una base un archivo de Excel para determinar las potencias eléctricas y el factor
de potencia del sistema. La propuesta presentada permitió crear un monitoreo eficiente y en tiempo real
de los parámetros eléctricos, proporcionando información crucial que lleven a la implementación de
mejoras sobre el uso de la energía en las instalaciones evaluadas. La implementación de este módulo
contribuye a la toma de decisiones para la mejora de la eficiencia energética en instalaciones diversas.
Palabras clave: eficiencia energética, instalaciones eléctricas, potencia eléctrica, factor de potencia,
voltaje
1
Autor principal
Correspondencia: luis.lb@vbravo.tecnm.mx
pág. 8681
Monitoring Low Voltage Electrical Parameters with Arduino for Efficient
Energy Usage
ABSTRACT
The project focused on the design and development of an electrical parameter monitoring module,
specifically aimed at measuring voltage and current using an Arduino UNO microcontroller. This
module facilitates the acquisition of electrical powers such as active, reactive, and apparent power of
the monitored electrical system. Measurements are carried out through specialized transducers and
conditioning printed circuits that send analog signals to the Arduino UNO. The microcontroller
processes the analog signals and converts them into digital signals in real-time using a code developed
specifically for this purpose. Once processed, the data is recorded in an Excel database to determine the
electrical powers and the power factor of the system. The presented proposal allowed for efficient and
real-time monitoring of electrical parameters, providing crucial information that leads to the
implementation of improvements in energy usage in the evaluated facilities. The implementation of this
module contributes to decision-making for improving energy efficiency in various installations.
Keywords: energy efficiency, electrical installations, electrical power,power factor, voltage
Artículo recibido 18 octubre 2024
Aceptado para publicación: 21 diciembre 2024
pág. 8682
INTRODUCCIÓN
En un mundo cada vez más conectado y consciente de la necesidad de optimizar el uso de la energía,
los sistemas de monitoreo de parámetros eléctricos han emergido como herramientas esenciales para la
gestión eficiente de recursos energéticos (Webster, 2020). Estos sistemas son cruciales para identificar
el consumo real de energía y evitar costos innecesarios, lo que representa un área problemática
significativa para consumidores y administradores de sistemas eléctricos (Smith, 2021).
El Arduino ha sido un pilar en el mundo de la electrónica y la automatización debido a su flexibilidad
y facilidad de uso (Jones & Miller, 2019). Desde su introducción, ha permitido a profesionales y
aficionados crear soluciones innovadoras en diversos campos, incluyendo el monitoreo energético
(Hernández, 2014). Su capacidad para interactuar con múltiples sensores y dispositivos a través de sus
entradas y salidas analógicas y digitales lo convierte en una opción ideal para proyectos de control y
supervisión (Castro, 2017). Además, el acceso a una amplia gama de bibliotecas y la robusta comunidad
de desarrolladores de Arduino han facilitado el desarrollo de sistemas avanzados y personalizados
(Gómez & Ramírez, 2023). Esta accesibilidad y versatilidad han sido cruciales en un país como México,
donde el acceso a la electricidad es casi universal, según datos de la Comisión Nacional para el Uso
Eficiente de la Energía (CONUEE, 2019). Esto subraya la necesidad de implementar tecnologías
eficientes para el uso y gestión de la energía eléctrica (Castro, 2017).
En su libro Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, John G. Webster destaca la
importancia de las mediciones eléctricas precisas para ingenieros y científicos. Este enfoque ha
impulsado el desarrollo de proyectos prototipo de sistemas de medición que transmiten datos en tiempo
real para facilitar su visualización. Esta capacidad es especialmente valiosa para aplicaciones
industriales y residenciales donde la precisión y la accesibilidad de los datos son críticas para la gestión
eficiente de la energía (Webster, 2020).
Según un informe de la Agencia Internacional de Energía, la implementación de sistemas de monitoreo
energético puede reducir los costos energéticos entre un 5% y un 15%. Esta capacidad para proporcionar
datos en tiempo real permite identificar ineficiencias y optimizar el uso de energía, promoviendo la
sostenibilidad y el ahorro económico (AIE, 2019). Estos sistemas no solo disminuyen los riesgos y
costos monetarios en industrias, sino que también anticipan en tiempo real anomalías en la red,
pág. 8683
contribuyendo de manera significativa al sector eléctrico en términos de sustentabilidad y eficiencia
(Pérez & Morales, 2016).
Investigaciones como la de Smith han explorado la implementación de sistemas de monitoreo de energía
en edificios comerciales utilizando el Arduino. Estos sistemas han demostrado ser efectivos en la
medición del consumo energético en diferentes áreas y en la transmisión de datos (Smith, 2021). Estos
estudios resaltan el impacto positivo del monitoreo de energía en la gestión de edificios comerciales e
industriales, proporcionando información crítica para mejorar la eficiencia energética (James & Taylor,
2007).
Arduino, con su entorno de programación amigable, ha simplificado el desarrollo de software para el
monitoreo de parámetros eléctricos (Gómez & Davis, 2012). La comunidad de Arduino informa que
más del 70% de los desarrolladores consideran que reduce significativamente el tiempo de desarrollo
en comparación con otros lenguajes (Jones & Miller, 2019). Esta eficiencia ha facilitado la creación de
soluciones rápidas y eficaces para el monitoreo energético, permitiendo la transmisión y tratamiento de
datos de medición de manera más cómoda y moderna, adaptándose a las nuevas tecnologías (Sánchez,
2014).
El monitoreo de energía con módulos, como el Arduino, se ha convertido en una práctica esencial en la
gestión de recursos energéticos (Webster, 2020). Actualmente, este enfoque no solo permite la medición
precisa de parámetros eléctricos como voltaje, corriente y potencia, sino que también facilita el análisis
en tiempo real y la transmisión de datos (CONUEE, 2019).
El motivo detrás de este estudio es la necesidad de abordar las deficiencias actuales en la monitorización
precisa y accesible del consumo energético. Observaciones en la práctica actual han mostrado que
muchos usuarios carecen de herramientas efectivas para verificar su consumo de energía, lo que genera
desconfianza y posibles costos adicionales (Anderson, 2008). Estos estudios buscan llenar este vacío,
proporcionando un sistema de monitoreo accesible y preciso que permita a los usuarios tener un control
real sobre su consumo energético (Ortiz & Wilson, 2018).
El objetivo de esta investigación fue diseñar un módulo de monitoreo de parámetros eléctricos para
instalaciones en baja tensión. Este prototipo tiene como finalidad evaluar la eficiencia y precisión del
sistema en la medición de parámetros eléctricos clave como voltaje y corriente (Smith, 2021).
pág. 8684
Además, se busca analizar el impacto del sistema en la reducción de costos energéticos mediante la
identificación y corrección de ineficiencias en el consumo (Brown & Johnson, 2011). El proyecto
también pretende proporcionar datos en tiempo real que faciliten una toma de decisiones informada
(Jones & Miller, 2019). Al integrar el Arduino UNO, se espera crear una solución accesible, rentable y
escalable que pueda adaptarse a distintas necesidades y promover prácticas sostenibles en el uso de la
energía (Ramírez, 2015). Este enfoque no solo mejorará el control del consumo energético, sino que
también contribuirá a la sostenibilidad y la eficiencia de recursos energéticos (AIE, 2019).
METODOLOGÍA
Diseño del sistema de monitoreo
En la primera etapa se realizaron los procesos para el diseño de un sistema de monitoreo, como primera
actividad se propone el diseño de un módulo de monitoreo para medir variables eléctricas, basado en
diseños previos adaptables. La medición de señales analógicas de corriente alterna se realizará con
transductores de voltaje ZMPT101B (0-220 V) y transductores de corriente no invasivos SCT-013 (0-
100 A). La señal analógica de corriente se acondicionó a niveles de voltaje no mayores a 3 V mediante
un circuito con amplificadores, validado previamente en simulaciones de Proteus y luego ensamblado
físicamente.
Para la agrupación de los componentes del módulo de monitoreo, se elaboraron proyecciones en 2D y
3D utilizando el software de diseño AutoCAD. Esto permitió desarrollar un modelo de gabinete
compacto en el que se montaron los circuitos, conectores de entrada y salida, incluyendo un Arduino.
Esto se muestra en una representación digital de prototipo (ver Figura 1).
Figura 1. Proyección 2D y 3D en AutoCAD de los componentes del módulo.
Fuente: Elaboración propia
pág. 8685
Después de completar las actividades previas, se procedio a ensamblar el prototipo final donde se
conectarán estos componentes y la carga eléctrica deseada (máquina o instalación). Este ensamblaje
aseguraró que el módulo funcione correctamente en condiciones reales, permitiendo una medición
precisa y segura de las variables eléctricas.
Pruebas de funcionamiento del módulo
En la segunda etapa, la comunicación del microcontrolador en Arduino se realizó configurando
inicialmente los pines necesarios para los transductores, los cuales son utilizados para la lectura de
señales eléctricas como voltajes y corrientes respectivamente. La captura se lleva a cabo mediante
técnicas de conversión analógico-digital (ADC), asegurando lecturas precisas y estables para controlar
los actuadores, y procesar datos. El bucle principal consiste en la captura de datos, el procesamiento y
la transmisión hacia un archivo de Excel. Para este proyecto se realizaron pruebas en el tablero de
distribución general del Tecnologico de Estudios Superiores de Valle de Bravo (TESVB) con el circuito
derivado de la cafetería de la institución, donde las mediciones obtenidas con el Arduino se compararon
con las lecturas obtenidas de corriente y voltaje medidas con el Registrador FLUKE.
Transferencia de información del módulo
En la tercera etapa se llevó a cabo el registro de los parámetros eléctricos monitoreados, las actividades
que se realizaron consistieron en la transmisión de datos a un archivo de Excel con el programa PLX-
DAQ-v2.11 que se configuró para que se recibiera y se actualizará cada 3 segundos con base el código
de programación que se muestra a continuación.
Figura 2. Código de ejecución para el registro de datos de voltaje y corriete.
Fuente: Elaboración propia
pág. 8686
Este proceso facilitó el almacenamiento, registro y análisis de la información. En la Figura 3 se observa
la pestaña principal de la ejecución del programa, la configuración del COM utilizado y la velocidad de
registro.
Figura 3. Pestaña principal del programa para registro de voltaje y corriente
Fuente: Elaboración propia
Análisis de parámetros eléctricos leídos.
Para evaluar el consumo de la potencia eléctrica de una instalación, se utilizaron los siguientes
indicadores y estándares:
Potencia activa: (Hambley, 2001)(ecuación 1)
1)
Potencia aparente: (Alexander y Sadiku, 2016) (ecuación 2).
2)
Potencia reactiva: (Grainger, 1997) (ecuación 3).
3)
Factor de potencia: (Weedy & Cory, 2009) (ecuación 4 y 5).
4)
5)
Desbalanceo de fases: (Alexander y Sadiku, 2016) (ecuación 6).
6)
pág. 8687
Planteamiento de estrategias básicas en el uso eficiente de la energía
La IEEE 1459-2010 Cláusula 5.2 y 6 describe que “un factor de potencia se considera bajo cuando es
inferior al 0.9”. Así mismo, la norma delimita los métodos para calcular el factor de potencia en sistemas
con cargas no lineales, donde el factor de potencia puede ser significativamente afectado por las
distorsiones de armónicos. La Cláusula 7 especifica los equipos de compensación que se pueden
implementar en caso de que el factor de potencia sea menor al 0.9.
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