Propuesta de un sistema de estacionamiento Inteligente con sensores IoT

Abstract

A wireless network was implemented with Arduino and Nodemcu, with a sensor node and another data collector that determine the status of parking spaces in real time, the information is transmitted over Wi-Fi to a K2S01 server (FL-US) and through a smartphone interface the user is able to reserve an available space. Elementos hardware seleccionados Los elementos seleccionados de acuerdo a la compatibilidad, costo y requerimientos del parqueadero son: microcontrolador basado en un procesador ATmega2560("ATMEGA2560 pdf, ATMEGA2560 description, ATMEGA2560 datasheets, ATMEGA2560 view : ALLDATASHEET :," n.d.), NodeMCU("NodeMcu - An open-source firmware based on ESP8266 wifi-soc.," n.d.) como plataformas de desarrollo hardware por su velocidad y terminales analógicos, un módulo Bluetooth HC-05 (ITead Studio, 2010) y sensor ultrasónico HC-SR04(ELEC-FREAKS, 2018) compuesto por un circuito de control, un transmisor y un receptor ultrasónico ya que permite una comunicación con otros dispositivos. 3.2. Proceedings - 2012 IEEE/WIC/ACM International Conference on Intelligent Agent Technology, IAT 2012, 2, 67-74. Integrating mobile agent with multi-agent system for intelligent parking negotiation and guidance. 2009 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, ICIEA 2009, 1704-1707.

Headnote

Resumen: Desde 2016 a 2018, el parque automotor casi se duplica, según la Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador (AEADE), esto implica la necesidad de una gestión eficiente de espacios de estacionamiento. Este trabajo propone la implementación de un sistema de parqueo inteligente con tecnología del Internet de las Cosas (IoT). Se implementó una red inalámbrica con Arduino y Nodemcu, con un nodo sensor y otro recolector de datos que determinan el estado de espacios de estacionamiento en tiempo real, la información se transmite por WiFi a un servidor K2S01 (FL-US) y a través de una interface Smartphone, el usuario puede reservar una plaza disponible. Las pruebas realizadas determinaron un error absoluto de ±1 cm en mediciones de distancia, el 1% en repetividad de datos y un 48,5% de mejora con respecto a pérdidas de tiempo al momento de buscar espacios, una muestra de que es un sistema eficiente y confiable.

Palabras-clave: Ciudades inteligentes; Internet de las Cosas (IoT); parqueaderos inteligentes; estacionamientos inteligentes; sensores.

Abstract: From 2016 to 2018, the vehicle fleet almost doubles, according to the Association of Automotive Companies of Ecuador (AEADE), this implies the need for efficient management of parking spaces. This work proposes the implementation of an intelligent parking system with Internet of Things technology (IoT). A wireless network was implemented with Arduino and Nodemcu, with a sensor node and another data collector that determine the status of parking spaces in real time, the information is transmitted over Wi-Fi to a K2S01 server (FL-US) and through a smartphone interface the user is able to reserve an available space. The tests carried out determined an absolute error of ± 1 cm in the distance measurements, 1% in the repeatability of the data and 48.5% in the improvement of the times in the vehicles at the time of the search for spaces, showing it is an efficient and reliable system.

Keywords: Smart cities; Internet of Things (IoT); smart parking lots; Parking management; Sensors.

1.Introducción

En Ecuador durante los años 2016 se vendieron 6 560 unidades de autos, y en 2018 casi 12 088, lo que indica el incremento de casi el doble del parque automotor, esto según datos de la AEADE (Asociación de Empresas Automotrices del Ecuador, 2017). Además indica que, en 2018, la adquisición de vehículos livianos y comerciales se concentra en la provincia de Pichincha, con aproximadamente el 36,5 %, y Guayas con 28,5%. Es innegable que esta dinámica genera falta de estacionamientos, por lo que los sectores públicos como privados deben optimizar los parqueaderos de la ciudad; una de las medidas adoptadas es el cobro del espacio de parqueo. Un ejemplo de esto es el Centro Comercial Mall del Sol de la ciudad de Guayaquil, que debido a que los vehículos son aparcados por horas aun sin ser clientes, produce una falta de disponibilidad (El Universo, 2018).

Actualmente, las ciudades modernas, para gestionar estacionamientos, poseen múltiples plazas de aparcamientos inteligentes que detectan los espacios libres e informan a través de paneles a los conductores. He aquí que las Ciudades Inteligentes (Smart Cities) se presentan como una manera sostenible de brindar servicios y prestaciones para elevar la calidad de vida de sus habitantes e incrementar la competitividad y capacidad de la ciudad (Godoy Ramón, 2015); al adicionar el desarrollo y aplicación "inteligente" de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) con el Internet de las Cosas, añaden tecnologías verdes y sostenibles, para mejorar el rendimiento y el comportamiento medioambiental de la sociedad. Entonces, las TIC Verdes (Green TIC) potencian el desarrollo de las Smart Cities y las convierten en un modelo de ciudades que garantiza un futuro sostenible al aprovechar recursos de manera eficiente y al minimizar el impacto en el medio ambiente en las actividades humanas. (Castro & Sc, 2014).

Ante la problemática del gran crecimiento del parque automotriz, que ocasiona la reducción de espacios de estacionamiento, se ha pensado en una solución que hace uso de las TIC, con miras a que la aplicación de esta propuesta de gestión de parqueo inteligente genere ciudades modernas en el Ecuador (Valentín, 2016), pues proporcionará funcionalidad en tiempo real a los usuarios para conocer y reservar plazas de estacionamientos libres a través de la web, optimizando tiempos de búsqueda, disminuyendo el consumo de combustible, la emisión de gases contaminantes y, principalmente, la congestión vehicular.

Este trabajo presenta una propuesta de solución al problema, donde un usuario pueda gestionar en forma gráfica, al ingresar a internet, los espacios disponibles de parqueo en estacionamientos públicos o privados, en tiempo real, mediante una aplicación móvil que consulta una base de datos en un servidor de todas las plazas de aparcamiento libres de la zona, evitando tiempos largos de espera, el gasto innecesario de combustible que genera la búsqueda y consumo innecesario de combustibles que en lugares cerrados de aparcamiento o edificios con parqueaderos en el subsuelo esto se convierte en un gravísimo problema por la emisión de gases tóxicos. El prototipo se implementó en los parqueaderos del Mall de los Andes en Ambato (Ecuador). El sistema propuesto es modular, escalable y de bajo costo, con posibilidades para realizar futuras mejoras.

El documento presenta el estado del arte de la temática, describe la parte metodológica empleada en el desarrollo, presenta luego el análisis de los resultados y finalmente, se enuncian las conclusiones de la investigación.

2.Marco Teórico

2.1.Selección de tecnología de comunicación

Los modelos de comunicación permiten analizar el comportamiento de los dispositivos, conjuntamente con objetos inteligentes que se manejan en IoT, de manera que se logre establecer una comunicación según su requerimiento. La Tabla 1 muestra varias tecnologías inalámbricas de comunicación compatibles con las necesidades tecnológicas del sistema de estacionamiento inteligente, para que los usuarios y datos estén siempre conectados y con continuo flujo de la información. Como se puede observar, las tecnologías Wi-Fi y Bluetooth tienen una cantidad moderada de nodos maestros en la red y un alcance promedio a su funcionalidad. La tecnología que cumple con los requerimientos mínimos de interoperabilidad con el usuario, que posee gran difusión de dispositivos y es de fácil escalamiento para su comunicación es la tecnología Wi-Fi.

2.2.Análisis de plataformas de desarrollo hardware

La Tabla 2 muestra un comparativo de acuerdo a las características de algunas plataformas de desarrollo de hardware como base para la selección de hardware. Se presentan parámetros importantes como las características del procesador, memoria y otros necesarios para el buen desempeño del sistema.

Uno de los indicadores a considerar es el costo de la plataforma y el nivel de flexibilidad de escalar y/o reestructurarlo si fuera necesario. Esta característica la posee NodeMCU, plataforma que presta soluciones para conectividad Wi-Fi.

2.3.Sistema de parqueo inteligente y IoT

Entre las estrategias de reserva de estacionamientos están el sistema básico de búsqueda ciega cuando no hay información de estacionamiento, donde los conductores navegan hasta encontrar un espacio disponible cerca de su destino; si no conocieran el área de búsqueda se ampliaría más (Wang, 2011). Otra estrategia es el intercambio de información de estacionamiento (PIS), que se basa en la publicación de la información de disponibilidad de estacionamiento para los conductores en un área específica (Lu, Lin, Zhu, & Shen, 2009); aquí los conductores pueden decidir basados en el estado del sistema, el problema radica en que, cuando el número de vacantes es limitado, principalmente en horas pico, se producirá el fenómeno del espacio múltiple de persecución de automóviles múltiples y se producirá una grave congestión de tráfico.

Para superar las limitaciones de las estrategias anteriores, otros autores han desarrollado enfoques para un sistema de aparcamiento inteligente. Existen dos categorías: enfoques centralizados y distribuidos. Para los centralizados, mencionamos la contribución de Geng & Cassandras (2011), quienes proponen un sistema centralizado de estacionamiento inteligente basado en una asignación dinámica de recursos, donde la asignación de espacio se basa en un mecanismo de cola de espera y reserva. Wang & He (2011) diseñaron un prototipo de sistema de estacionamiento inteligente basado en reservas (RSPS) para transmitir información de estacionamiento en tiempo real (ocupación, precios) a los conductores y proporcionar el servicio de reserva como parte del servicio de destino del usuario, empleando técnicas avanzadas de detección y comunicación móvil.

En un contexto distribuido, hay muchos sistemas de estacionamiento basados en agentes múltiples. Entre ellos, podemos mencionar el sistema basado en InfoStation que ofrece un servicio de localización de aparcamientos dentro del área del Campus Universitario (Ganchev, O'Droma, & Meere, 2008). Este servicio permite a los usuarios registrados que están equipados con dispositivos inalámbricos móviles, ubicar los espacios de estacionamiento disponibles en todo el campus.

Chou, Lin & Li (2008), por su parte, propusieron un sistema de negociación y guía (ABIPNGS). El sistema actúa como una plataforma de negociación entre el parque y los conductores, lo que facilita la búsqueda de plazas de aparcamiento disponibles, la negociación dinámica de las tarifas de estacionamiento, la reserva de plazas de estacionamiento y la obtención de rutas óptimas. Para una negociación viable Longfei, Hong & Yang (2009) extienden el anterior sistema mediante la integración de agentes móviles. Esta tecnología ayuda a reducir la transmisión de datos a través de una red y mejora la flexibilidad, adaptabilidad y estabilidad del sistema multiagente original.

Bessghaier, Zargayouna & Balbo (2012) propusieron un proyecto descentralizado basado en un sistema multiagente mediante el empleo de una comunicación entre vehículos (V2V) que permite a los vehículos recibir y transmitir información sobre la disponibilidad de espacio a los otros vehículos de la misma comunidad. El sistema es no centralizado y funciona sin información previa sobre las plazas de aparcamiento. Los vehículos del mismo distrito intercambian mensajes que incluyen la lista de lugares ocupados y libres en cada asignación de estacionamiento y cada descarga para actualizar su conocimiento local.

Chou & Lin (2017), en tanto, proponen un sistema de estacionamiento inteligente para la reserva de espacio y orientación en respuesta a las solicitudes de estacionamiento de los conductores. Es un sistema multiagente, distribuido a gran escala, trata efectivamente la incertidumbre en un entorno dinámico.

Al aplicar IoT a parqueaderos inteligentes se puede considerar la presencia de plazas de aparcamiento reservado exclusivamente para usuarios como: autoridades, personas discapacitadas, embarazadas y de tercera edad, etc. Es necesario realizar gestiones de dichas plazas a través de tecnologías que detecten el estado de las plazas automáticamente (Boccalari y González, 2016). Esto ayuda a los conductores a encontrar una plaza de aparcamiento de manera eficiente y con mayor rapidez mediante el uso de TIC (Rosales, 2016).

Las principales características de IoT consisten en la capacidad de identificación, la obtención de información, el procesamiento y la comunicación de datos (ITU, 2012). En el mundo de la información, un objeto virtual puede existir sin la necesidad de relacionarse con algún objeto físico, en cambio un objeto físico puede ser representado por uno o diversos objetos virtuales. Además, un dispositivo tiene la capacidad para realizar la comunicación entre objetos y la capacidad para detectar, accionar, obtener, almacenar y procesar la información (González, 2017).

Parte primordial para el desarrollo del IoT son los sensores, ya que a través de estos dispositivos se logra obtener información dentro de un entorno donde se encuentran los objetos, para luego ser enviados y procesados por un sistema de control. Para el presente trabajo se ha considerado el desarrollo de un sistema centralizado de estacionamiento basado en una red de sensores de presencia ubicados dentro del área del parqueadero para conocer el estado del parqueadero: disponible, ocupado o reservado. La información que proporcionan los sensores se envió a un equipo electrónico que se encargó del procesamiento y almacenamiento en una base de datos. Se realizó la visualización de forma gráfica y sencilla, mostrando a los clientes el estado actual del parqueadero a través de una aplicación desarrollada en un dispositivo móvil con un sistema operativo Android, a la vez la interface permite la reserva de una plaza libre donde se indica el periodo de tiempo de espera para la gestión de la plaza.

3.Materiales y métodos

Se consideró el caso del parqueadero subterráneo del Mall de los Andes de la ciudad de Ambato, donde se consideraron 20 plazas de aparcamiento. Se realizaron las siguientes consideraciones en el diseño del prototipo del sistema de parqueo inteligente: detección de presencia de vehículos en el interior del parqueadero, escalabilidad, bajo costo, información en tiempo real, almacenamiento en la red, supervisión del área del estacionamiento con sensores y un nodo recolector; además de permitir la reserva del usuario del estacionamiento en un periodo de tiempo establecido.

Se realizaron pruebas para determinar los tiempos de respuesta entre el servidor (K2s01FL - US) y el sistema para esto se enviaron datos desde el sistema a la nube. Para determinar el error del sistema de parqueo que incorpora al censar se relacionó los valores del sensor ultrasónico del diseño con un equipo patrón (Flexómetro), se recopilaron datos durante cinco días con un total de 30 muestras.

Para determinar la repetividad de datos se consideró 15 muestras del sensor durante 5 días laborables con tres mediciones diarias, éstos resultados se compararon con los estándares del Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) ("Organismos estadísticos," n.d.), para determinar la estabilidad de los sensores implementado en el sistema de parqueadero inteligente. Además, se tomó en cuenta el tiempo de parqueo antes y después de la instalación del sistema así como el consumo de gasolina de 15 vehículos definidos en dos horarios pico.

3.1. Elementos hardware seleccionados

Los elementos seleccionados de acuerdo a la compatibilidad, costo y requerimientos del parqueadero son: microcontrolador basado en un procesador ATmega2560("ATMEGA2560 pdf, ATMEGA2560 description, ATMEGA2560 datasheets, ATMEGA2560 view : ALLDATASHEET :," n.d.), NodeMCU("NodeMcu - An open-source firmware based on ESP8266 wifi-soc.," n.d.) como plataformas de desarrollo hardware por su velocidad y terminales analógicos, un módulo Bluetooth HC-05 (ITead Studio, 2010) y sensor ultrasónico HC-SR04(ELEC-FREAKS, 2018) compuesto por un circuito de control, un transmisor y un receptor ultrasónico ya que permite una comunicación con otros dispositivos.

3.2. Esquema de conexión

La red está compuesta por dos nodos: nodo lector y nodo recolector, en la Figura 1 se puede observar el esquema de conexión de nodo sensor, donde se optó a utilizar la tecnología Wi-Fi para la comunicación con la plataforma IoT y Bluetooth para la comunicación entre las tarjetas de desarrollo, debida a las ventajas en la velocidad que tiene para transmitir datos con respecto a las otras tecnologías.

La Figura 2 (izq.) indica el diagrama de bloque del nodo lector compuesto por: el elemento sensor de distancia que se encarga de la adquisición de los datos detectando la presencia o ausencia del objeto; el elemento de procesamiento de datos, una fuente independiente que abastece de alimentación y el bloque de transmisión de datos que usa comunicación serial.

En la Figura 2 (der.), se presenta el diagrama de bloque del nodo lector, que comprende los elementos: recepción de datos enviados por el nodo lector, que son procesados y poseen una fuente de alimentación y el bloque de transmisión Wi-Fi; para enviar los datos recolectados en este nodo hacia el servidor que almacena esta información y que el usuario pueda visualizarla en una página web previo al registro.

3.3.Elementos Software

Dentro de las principales consideraciones en el diseño para desarrollar el prototipo fue un bajo costo, pero con una eficiente funcionalidad por lo que se optó por el uso de software libre, como se describe a continuación:

Xampp (Apache Friends, 2017).- Es un software libre de Apache, incluye MySQL, PHP y una variedad de herramientas para realizar distintas aplicaciones web.

Netbeans (Corporation, 2017).- Diseñado para código abierto y de libre distribución para desarrollar aplicaciones web, móviles, y de escritorio en Java.

Arduino IDE ("Getting Started with Arduino Web Editor on Various Platforms - Arduino Project Hub," n.d.), es un software libre que trabaja con el lenguaje de programación C++ basado en AVR-GCC, Processing.

Para el sistema de parqueo y su integración en el IoT se contrató un hosting - K2soi (FL - US)- con las siguientes características: 1GB de almacenamiento de disco SSD, 8 GB de ancho de banda, compatibilidad del servidor con versiones estables de Apache, Linux, PHP y MySQL. También, permite la transmisión de datos mediante el protocolo FTP y efectuar copias de seguridad.

En la Figura 4 (izq.), se ilustra el diagrama de flujo para el software desarrollado para el nodo sensor y su funcionamiento en la toma de decisiones. En la Figura 4 (der.) se puede observar cómo trabaja el nodo recolector, funciones y librerías empleadas en el prototipo.

En el lado izquierdo de la Figura 5 correspondiente a la Interfaz Web Sistema Parqueo Inteligente, se visualiza la página web de inicio del sistema de parqueo, al cual se puede acceder desde internet. Consta de diferentes opciones como el campo registro necesario para acceder al sistema al iniciar sesión. Una vez establecida la conexión se puede reservar un aparcamiento del estacionamiento durante un tiempo estimado de espera que no supera los 15 min y que se describe en la tabla 3. En caso de que el usuario no cumpla con este tiempo, para la reservación tendrá un número máximo de intentos estipulados por el administrador.

En lado derecho de la Figura 5 se presenta por colores el estado del parqueadero en tiempo real. El color amarillo indica aparcamiento reservado, el rojo que está ocupado y el verde que el aparcamiento está libre.

4.Pruebas y Resultados

4.1. Tiempo de espera

Los resultados del tiempo de respuesta entre el servidor (K2s01FL - US) y el sistema se pueden apreciar en la Tabla 3.

De las treinta pruebas realizadas el promedio del tiempo de respuesta entre el servidor y el sistema es de 26000 ms. Lo cual es un tiempo adecuado de espera entre un sistema y el usuario.("Indicadores clave para aplicaciones móviles - Alan Martinez - Medium," n.d.)

4.2.Tasa de error

Para saber si el sensor de proximidad estaba evaluando de manera adecuada los resultados se verifica para el error existente en las medidas de distancia del sensor de presencia; se presentan en la Tabla 4, como se puede observar el máximo valor es 1 cm y el mínimo de -1 cm.

Estos datos muestran que hay una leve distorsión con respecto a las medidas tomadas con la unidad Patrón. De las 15 medidas consideradas para determinar la repetividad se obtuvo una media de 44,6, una desviación estándar de 0,51 y con un coeficiente de variación de 1% los datos del sensor HC-SR 04, según DANE para tener una variabilidad mínima el coeficiente de variación debe ser menor a 7%.

4.3.Consumo y tiempo de parqueo vehicular

Para esta prueba se tomaron 10 vehículos los cuales realizaron el aparcamiento en los horarios definidos como de alta demanda: 13:00 a 15:oo y de 18:00 a 20:00, según datos estadísticos del Centro Comercial del Mall de los Andes, con una frecuencia de 7 días de la semana. Los vehículos indistintamente de la marca fueron del tipo Vans de 2 000 cm3 familiares ya que son los que mayor demanda tienen al ingresar al centro comercial.

Con respecto al tiempo se cronometró el tiempo desde que ingresa el vehículo hasta que encuentra un aparcamiento. Además, se consideró el consumo de gasolina como valor agregado en el ahorro indirecto que tendría el sistema de parqueo Inteligente con sensores IoT.

La medición del consumo de gasolina se lo realizó haciendo una relación entre el número de kilómetros conducidos y la cantidad de gasolina utilizada, es decir:

...

Es de recalcar que se debía considerar que los vehículos utilizados para el parqueo tenían igual cilindraje y consumo gasolina similares en los casos revisados (motor de 1600 y 2000 cm3), además de pedir a los conductores de prueba que evitaran encender el aire acondicionado para no agregar una variable más en el consumo adicional de gasolina. La Tabla 5 muestra esta información promedio de todas las frecuencias.

De los resultados mostrados en la tabla anterior se pueden ver una reducción en cuanto al tiempo y consumo de gasolina en un 48,5 % lo que representa una mejora aceptable para implementar este sistema.

4.4.Costos

El costo de implementación del sistema se muestra en la Tabla 6, con el valor de cada dispositivo. Como se puede observar el costo total del sistema de parqueo para 20 vehículos es de $ 1219,40.

5.Conclusiones

El estudio determinó que la transmisión por Bluetooth es adecuada para establecer la comunicación entre nodos y Wi-Fi en la transferencia de datos a la Plataforma IoT; debido a que presenta una interconexión aceptable, con un tiempo media de 94 ms de ida y vuelta y un 0% de pérdidas de paquetes enviados hacia el servidor k2s01 (FL-US) a través del protocolo HTTPS (Rescorla & Schiffman, 1999) del modelo de comunicación dispositivo a internet en tiempo real, mostrando ser un sistema eficiente.

De las pruebas realizadas en el funcionamiento del sistema de parqueo inteligente, éste presentó un error de ± 1 centímetros de distancia en el censado; el tiempo promedio de transferencia de datos entre el sistema y el servidor fue de 26000 ms, y el 1% de la repetividad de datos, determinándolo como como un sistema estable.

El diseño del sistema de parqueo inteligente para 20 vehículos utiliza software libre, el sistema completo tiene un valor total de $ 621, lo que le permite ser un sistema accesible y replicable que junto a los beneficios de disminución de la contaminación ambiental, descongestión vehicular lo convierte en una aplicación atractiva para implementar parqueaderos inteligentes, que contribuya hacia las ciudades inteligentes.

References

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