e-ISSN: 1390-5902
CEDAMAZ, Vol. 13, No. 2, pp. 205–217, mes Julio–Diciembre fin 2023
DOI: 10.54753/cedamaz.v13i2.2110
Diseño e implementación de un sistema de control automático para
iluminación: Regulación de la iluminancia artificial en función de la
iluminación natural
Design and implementation of an automatic control system for lighting: Regulation of
artificial illuminance based on natural lighting
Josmani Pacheco-Macas 1, Raúl Chávez-Romero 1,*, Sara Chávez-Romero 2, Juan
Chuncho-Morocho 1, Ivan Coronel-Villavicencio 1, Julio Gomez-Peña 1, Cristian Ortega-Reyes 1,
Edwin Paccha-Herrera 1, Fernando Ramírez-Cabrera 1y Carlos Samaniego-Ojeda 1
1Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador
2Universidad Internacional de la Rioja, España
*Autor para correspondencia: raul.a.chavez.romero@gmail.com
Fecha de recepción del manuscrito: 01/12/2023 Fecha de aceptación del manuscrito: 29/12/2023 Fecha de publicación: 31/12/2023
Resumen—El presente trabajo propone un sistema de control analógico para controlar luminarias LED regulables en función de la señal
proveniente de un sensor de iluminación, con el objetivo de utilizar solamente la energía necesaria para mantener un nivel de iluminación
de 300 lx en el plano de trabajo de un aula universitaria de estudios de 27.54 m2. Es decir, la iluminación artificial se adapta al nivel de
iluminación natural, lo que representa una reducción en el consumo eléctrico y a su vez un ahorro económico en el servicio de electricidad.
Se utilizó medidores de consumo eléctrico inteligentes para recopilar datos del sistema antiguo con tecnología fluorescente que se utilizaba
en el aula, para luego comparar con los datos de consumo del nuevo sistema de control automático para iluminación (SCAI), el cual regula
la potencia eléctrica utilizada y a la vez el flujo luminoso de las lámparas LED, en función de la iluminación natural.
Palabras clave—Control Analógico, Iluminación, LED, Eficiencia energética.
Abstract—This work proposes an analog control system to control dimmable LED luminaires depending on the signal. coming from a
lighting sensor, with the aim of using only the energy necessary to maintain a lighting level of 300 lx in the work plane of a 27.54 m2
university study classroom. That is, artificial lighting adapts to the level of natural lighting, which represents a reduction in electrical
consumption and in turn economic savings in electricity service. Smart electricity consumption meters were used to collect data from the
old system with fluorescent technology that was used in the classroom, to then compare with the consumption data of the new automatic
lighting control system (ALCS), which regulates the electrical power used and at the same time the luminous flux of the LED lamps,
depending on the natural lighting.
Keywords—Analog Control, Lighting, LED, Energy efficiency.
INTRODUCCIÓN
Un sistema de iluminación tiene como objetivo proyec-
tar el flujo luminoso de las lámparas hacia un plano de
trabajo y generar un nivel de iluminancia deseado (Instituto
para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2001), depen-
diendo de si es un espacio interior o exterior, según la norma
vigente. De acuerdo a la Norma europea sobre la iluminación
para interiores, UNE 12464.1 (2018), se plantea que la ilumi-
nación dentro de los establecimientos educativos es funda-
mental para el desarrollo de cada una de las actividades que
se realicen en los mismos. Las condiciones de iluminación
del aula afectan el rendimiento académico de los estudian-
tes debido a la influencia de la luz en el aprendizaje (Castilla
et al., 2023). Una deficiencia en el sistema de iluminación
puede producir un aumento de la fatiga visual, reducción en
el rendimiento del personal que labora en las instalaciones,
incremento en los errores y en ocasiones incluso acciden-
tes (INSHT y Alvarez Bayona, 2015). Los estándares indi-
can la cantidad de luz que debe estar presente en los planos
de trabajo (lumen/m2=lux), pero no todas las edificaciones
cumplen con este requerimiento. Existen accionamientos pa-
ra los circuitos de iluminación dentro del mercado, que son
manuales y no contribuyen en términos de eficiencia ener-
gética debido a que no usan un control automático para la
regulación de las luminarias, así se usa por lo general toda
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0. 205
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO PARA ILUMINACIÓN PACHECO-MACAS et al.
la potencia instalada o se puede ajustar mediante regulado-
res de intensidad (dimmers), pero el accionamiento siempre
depende del manejo del usuario. Por otro lado, existen siste-
mas automáticos que se autorregulan con señales de entrada,
salida y un procesador central que analiza las condiciones de
programación en cada momento. El uso de sensores que mi-
dan la iluminación presente en el ambiente es una tecnología
relativamente nueva en nuestro medio, es por ello que unifi-
car estas tecnologías para desarrollar un sistema automático
debería ser fundamental en la construcción de nuevos espa-
cios. Bustán-Gaona et al. (2023) analizaron la efectividad de
la iluminación natural en los espacios interiores de la arqui-
tectura vernácula. Fakhari et al. (2021) investigaron el rango
de satisfacción para la iluminancia con respecto a la tempe-
ratura del aire interior en edificios de oficinas. Ahmed et al.
(2023) estudiaron un método alternativo para la iluminación
de estructuras subterráneas, que utiliza lentes para enfocar la
luz solar en un punto y utiliza fibras ópticas para transmitirla
en el lugar requerido y se dispersa como una bombilla nor-
mal sin ningún consumo de energía eléctrica. Sánchez (2022)
evaluó la iluminación de las aulas del mismo bloque A3, a la
que pertenece el aula objeto de estudio y proyecta que con
la implementación de un sistema automatizado se lograría
disminuir el consumo eléctrico en un 40%. Además, al mo-
mento de realizar el estudio de iluminación en las aulas, se
pudo comprobar que no cumple con la Norma UNE 12464.1
(2018). Por estas razones, es altamente recomendado reali-
zar un rediseño del sistema de iluminación e implementar
tecnología LED. En este contexto, se han logrado avances
significativos en el diseño de sistemas de iluminación LED,
Chacón-Avilés et al., centro sus esfuerzos en las característi-
cas eléctricas y fotométricas de estos sistemas, su estudio re-
salta especialmente la implementación de iluminación LED
alimentada por paneles fotovoltaicos. Estos avances marcan
el punto de partida hacia soluciones sostenibles e innova-
doras en el ámbito de la iluminación, este estudio pretende
ir más allá, es decir, no solo busca emplear un sistema que
cumpla los estándares de iluminación, sino también su efi-
ciencia, aprovechando la iluminación natural lo que reduce
la dependencia de la luz artificial. Este trabajo implementa
un sistema de control analógico para mantener un nivel ade-
cuado de iluminancia en función de la luz natural del aula
A312 de la Facultad de la Energía, las Industrias y los Recur-
sos Naturales no Renovables (FEIRNNR), de la Universidad
Nacional de Loja (UNL), donde estudios previos arrojan que
no se cumple con los niveles de iluminación media según
la norma UNE 12464.1 (2018), que para aulas tiene un valor
mínimo de 300 lx. Al implementar el sistema diseñado se po-
drá generar un ahorro energético y económico, a la vez que
se fomentará el uso eficiente de la energía eléctrica. Este tipo
de sistemas deberían ser un implemento básico en cualquier
espacio a iluminar. En el ámbito educativo, una correcta ilu-
minación permite que tanto estudiantes como profesores me-
joren su desempeño, en lo que corresponde al consumo ener-
gético, se verá una disminución significativa debido a que se
usa únicamente la energía necesaria para mantener el nivel
adecuado de iluminación lo que por consiguiente representa
una disminución de la demanda energética y beneficios para
el medio ambiente por la reducción de emisiones de CO2. Es-
te trabajo presenta una propuesta para hacer un uso eficiente
de la energía eléctrica destinada al sistema de iluminación
en aulas de estudios. De esta manera se obtendrá beneficios
medioambientales, energéticos y económicos (Sikora et al.,
2023), ya que, al reducir el consumo eléctrico, a su vez esto
representa una reducción en las emisiones de gases de efecto
invernadero (GEI) y una reducción en el consumo eléctrico
lo que representa un descenso en los costos de este servicio.
MATERIALES Y MÉTODOS
El procedimiento que se ha seguido de manera general pa-
ra cumplir con los objetivos de este trabajo es el que se mues-
tra en la Figura 1.
Fig. 1: Procedimiento general.
Los materiales necesarios para implementar el sistema de
control de iluminación se detallan a continuación en la Ta-
bla 1.
Tabla 1: Equipos y costos del sistema de control de iluminación.
Equipo Modelo
Precio
Unita-
rio
Cantidad Total ($)
Transformador
AC-AC 110-24 V
Ring doorbell
X003 DSG15F 20 1 20
Convertidor AC-
DC 110-12 V Huawei 5 1 5
Regulador de vol-
taje BossXL6009 3.50 2 7
Sensor de ilumi-
nación
Multisensor 0-10
V econtrols, MS.
602000-000
142 2 284
Controlador Arduino Uno R3. 20 1 20
Panel LED dime-
rizable
VLPND-45 W
60×60 43 3 130
Medidor inteli-
gente Emylo, EIA-90 41 1 41
Jumpers - 0.10 20 2
Interruptores de
dos posiciones - 0.50 20 1
Cable 24 AWG Jurui
24 AWG×2C 0.30 10 3
Borneras - 0.50 2 1
Caja termoplásti-
ca
Legrand
180×140×86 mm 5 2 10
Total 539
2.1. Medición del consumo eléctrico del sistema de
iluminación con tecnología fluorescente
Para medir el consumo eléctrico del sistema de ilumina-
ción del aula objeto de estudio, se utilizó un medidor inteli-
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gente Marca: Emylo Modelo: EAI-90 (Figura 2) que moni-
torea en tiempo real el consumo energético y la información
puede ser revisada en la pantalla del medidor o a través de
una aplicación para teléfono celular. El mismo se conectó en
serie con la fase del interruptor de las luminarias del aula,
para recopilar los datos de voltaje, intensidad eléctrica y po-
tencia consumidos (Figura 3).
Fig. 2: Medidor inteligente Emylo instalado en el aula A312.
Fig. 3: Esquema de instalación del medidor inteligente
Emylo.(Emylo, 2021)
El sistema de iluminación antiguo contaba con las carac-
terísticas descritas en la Tabla 2.
Tabla 2: Características del sistema de iluminación fluorescente
del aula 312.
Carácteristica Valor
Fluorescente Marca: Advantage
Luminarias 2×2
Voltaje 120 V 50/60 Hz
Factor de potencia >= 0.9
Armónicos (THD) <30%
Amperaje 0.60
Protocolo de atenuacion No
Potencia 40 W×4
Tiempo de uso diario promedio 7 h
Consumo mensual en kWh 27.56
Consumo mensual en $ 2.48
2.2. Proyección del sistema de iluminación con tecno-
logía LED
2.2.1. Método de los lúmenes
El método de los lúmenes o también llamado sistema
general, es un procedimiento que permite calcular la ilu-
minación en luxes presente dentro de un área de trabajo,
los valores obtenidos de este método poseen un error de
±5% (Castilla-Cabanes et al., 2011). Para emplear esta
metodología se deben seguir los siguientes pasos:
a. Datos del área de trabajo del aula
El primer paso para proyectar el sistema de iluminación
consiste en tomar las medidas del espacio a iluminar, es decir
el plano de trabajo, como se puede apreciar en la Tabla 3 y
Figura 4.
Tabla 3: Dimensión de aula A312.
Dimensiones correspondientes al aula A312
Símbolo Valor Unidad
a (ancho) 4.14 m
l (largo) 6.58 m
S (superficie) 27.24 m2
h (altura del aula) 2.80 m
hpt (altura del plano de trabajo) 0.85 m
En la Figura 4 se muestran los valores de la Tabla 3 para
el dimensionamiento en un plano 3D del aula A312.
Fig. 4: Dimensiones del aula A312 en 3D, Dialux.
b. Altura de plano de trabajo
La altura del suelo a la superficie de la mesa de trabajo,
generalmente establecida en 0.85 m, no solo tiene en cuenta
la ergonomía y comodidad de los estudiantes, sino que
también se relaciona directamente con la iluminación del
aula.
c. Nivel de iluminación dentro del aula
Se estableció el nivel de iluminación de 300 lx el cual se
especifica en la norma UNE 12464.1 (2018). Siguiendo este
estándar, se puede asegurar que el ambiente de iluminación
óptimo cumple con la normativa y brinda las condiciones
207
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO PARA ILUMINACIÓN PACHECO-MACAS et al.
visuales necesarias para las tareas y actividades que se
realizan en ese espacio.
d. Coeficiente de utilización (Cu)
El coeficiente de utilización es un valor adimensional que
relaciona las dimensiones del área a iluminar en función del
tipo de iluminación utilizada (directa, indirecta, difusa, etc.)
y los coeficientes de reflexión de las superficies de techo, pa-
redes y suelo.
En la ecuación (1), se calcula el valor de K para un tipo de
iluminación directa, término que toma en cuenta las dimen-
siones de la zona a iluminar, y que servirá para encontrar el
coeficiente de utilización.
K=(a+b)
h×(a+b)(1)
K=1.54
Donde a y b son el ancho y largo de la zona a iluminar,
respectivamente, h es la distancia comprendida entre el plano
donde están instaladas las luminarias y el plano de trabajo
que se desea iluminar. Una vez definido el índice K se realizó
un análisis tanto visual como investigativo para poder asignar
los coeficientes de reflexión correspondientes a techo, pared
y suelo. Esto se analizó tomando en cuenta los colores de las
superficies mencionadas, como se puede ver en la Tabla 4.
Tabla 4: Valores para coeficiente de reflexión.
Coeficiente de reflexión
Superficie Valor de coeficiente
Techo (blanco) 0.70-0.85
Paredes (amarillo) 0.50-0.75
Suelo (crema) 0.40-0.50
Una vez establecidos los valores de K y de los coeficientes
de reflexión, se procede a corregir y encontrar el valor del co-
eficiente de utilización, la tabla para la corrección suele estar
dada por el fabricante, pero en caso de que no se cuente con
esta información se podría utilizar tablas, como la Tabla 5
(Castilla-Cabanes et al., 2011).
Tabla 5: Valores de coeficiente de utilización.
Tabla de corrección
Techo 0.70 0.70 0.70 0.0 0.70
Pared 0.70 0.50 0.20 0.20 0.0
Suelo 0.50 0.20 0.20 0.10 0.0
K(0.6) 77 58 49 48 45
K(1.0) 100 77 69 67 63
K(1.5) 116 91 84 80 77
K(2.5) 129 100 95 90 86
K(3.0) 133 103 99 93 89
Para tener el valor que corresponde al coeficiente de utili-
zación se debe sumar cada uno de los valores que se interse-
can, al relacionar e valor de k con los coeficientes de refle-
xión de las superficies, para luego dividirlos para el número
total de valores, es decir, se debe interpolar entre los valores
seleccionados, y luego dividir por 100 ya que el valor del co-
eficiente de utilización está en forma de porcentaje, en este
caso, el valor que se obtuvo fue el calculado con la ecuación
(2):
Cu=Cu1 +Cu2 +Cu3 +Cu4
4×100 (2)
Cu=116 +91 +129 +100
4×100 (3)
Cu=1.09
e. Coeficiente de mantenimiento (Cm)
El coeficiente de mantenimiento se asocia al nivel de lim-
pieza del ambiente, ya que influye en la limpieza de la lumi-
naria y por consiguiente en su mantenimiento. Un ambiente
ideal estaría representado por un valor de 1 y un ambiente
con demasiado polvo y suciedad con 0.01. Se utilizó un co-
eficiente de mantenimiento de 0.8 debido a que corresponde
a un establecimiento que permanece limpio y ordenado.
Cm=0.8
f. Flujo luminoso (Φtotal )
Con todos los datos calculados anteriormente, se podrá
calcular con la ecuación (4), la cantidad de lúmenes total
(sumatoria del flujo luminoso de cada lámpara) que se
necesitan para mantener un nivel de iluminación previsto de
300 lx dado por la norma UNE 12464.1 (2018).
Φtotal =Em×S
Cu×Cm(4)
Φtotal =9371.55 lm
Donde Φtotal es el flujo luminoso total.
g. Luminaria y lámpara
Para obtener la iluminación artificial se seleccionó paneles
LED dimerizables de 45 W con una eficiencia luminosa de
100 lm/W.
h. Cálculo de número de luminarias
Aquí se planteó la ecuación (5), teniendo en cuenta los
valores de flujo luminoso mínimo total, que resultó del
cálculo de nivel de iluminación, para poder calcular el
número de luminarias.
Nluminarias =Φtotal
Nl´
amparas/luminaria ×Φl´
ampara (5)
Nluminarias =9371.55 lm
1×4500 lm (6)
Nluminarias =2.08 luminarias
Nluminarias =3 luminarias
Donde Donde Φtotal es el flujo luminoso total, Φl´ampara es
el flujo luminoso de cada lámpara, Nluminarias es el número
de luminarias (la luminaria es el conjunto de base, pantalla
y accesorios que sirven de soporte a las lámparas; las
lámparas son los elementos que generan el flujo luminoso)
yNl´amparas/luminaria es el número de lámparas por cada
luminaria.
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e-ISSN: 1390-5902
CEDAMAZ, Vol. 13, No. 2, pp. 205–217, mes Julio–Diciembre fin 2023
DOI: 10.54753/cedamaz.v13i2.2110
i. Emplazamiento de luminarias
Teniendo el número de luminarias necesarias para cumplir
con la normativa se procedió a ubicarlas de manera que la
iluminación llegue a cada espacio de la superficie, para ello
se empleó las ecuaciones (7) y (8), cabe destacar que esto es
un modelo para la disposición, pero el diseñador podría pro-
poner muchas otras combinaciones. La disposición utilizada
para las lámparas se la puede observar en la Figura 6.
Luminarias por ancho del aula (columnas).
Nancho =rNluminarias
l×a (7)
Nancho =1.33 =2 columnas
Luminarias por largo del aula (filas).
Nlargo =Nancho ×l
a(8)
Nlargo =2.11 =2 filas
j. Configuración final
Se analizaron algunas posibles configuraciones para insta-
lar el sistema de iluminación, pero solo se muestra la disposi-
ción final en la Figura 6. Para comprobar que con la disposi-
ción de las luminarias y con el flujo luminoso de las lámparas
se mantiene el nivel de iluminación requerido de 300 lx, se
simuló el diseño utilizando el software Dialux, como se pue-
de apreciar en la Figura 5.
Fig. 5: Configuración de luminarias en el software Dialux.
k. Comprobación del cálculo de luminarias
Luego de realizar el emplazamiento, se procedió a com-
probar que las luminarias seleccionadas cumplen con el míni-
mo requerido para iluminar el área de trabajo. Se debe com-
parar que el valor calculado sea mayor o igual que 300 lx,
como se puede verificar en el resultado de la ecuación (10).
Em=Nluminarias ×Nl´
amparas/luminaria ×Φl´
ampara ×Cu×Cm
S(9)
Fig. 6: Plano de posición de luminarias para el aula 312.
Em=3×1×4500 lm ×1.09 ×0.8
27.24 m2(10)
Em=432.15 lx ≥300 lx
2.3. Diseño e implementación del sistema de control
automático de iluminación
Para el diseño del Sistema de Control Automático de Ilu-
minación que en adelante se denominará SCAI, se utilizaron
los materiales que se describen en la Tabla 6 y Tabla 7:
Tabla 6: Lista de materiales.
Equipo Modelo
Transformador AC/AC
110/24 V
Ring doorbell
X003DSG15F
Convertidor AC/DC
110/12 V Huawei
Regulador de voltaje LM2596
Sensor de iluminación
Multisensor 0-10 V
Econtrols, MS.602000-
000
Controlador Arduino Uno R3
Panel LED dimerizable VELPND 45 W 60×60
Medidor inteligente Emylo/EAI-90
Jumpers -
Interruptores -
Cable 24 AWG Jurui 24 AWG×2C
Borneras -
Caja termoplástica Legrand 180×140×86
mm
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO PARA ILUMINACIÓN PACHECO-MACAS et al.
Tabla 7: Características del panel LED dimerizable.
Característica Valor
LED SMD Modelo: Honglitronic 2835
Número de luminarias 3x1
Voltaje 100-277 V AC 50/60 Hz
Factor de potencia >= 0,9
Armónicos (THD) <20%
Protocolo de atenuación 0-10 V
Potencia 3 ×45 W
Eficacia 100 lm/W
Diagrama de instalación.
Se analizó cada una de las entradas y salidas necesarias
para trabajar con los equipos, en cuanto a su tensión en DC y
compatibilidad entre dispositivos de entrada, salida y la uni-
dad de control. Los sensores de iluminación presentan una
señal analógica de tensión DC en función de la iluminación
medida, que varía entre 0 y 10 V. El driver que regula las
lámparas LED necesita una señal analógica de 0 a 10 V DC.
El controlador Arduino Uno, se alimenta con 12 V DC, y tra-
baja con señales analógicas y digitales en un rango de 0 a 5 V
DC, por lo que para trabajar con el sensor se utilizó un con-
vertidor DC-DC de voltaje LM2596, para reducir la tensión
eléctrica de la señal del sensor de iluminación de 0-10 V a
0-5 V (Figura 18). La imagen de la Figura 7 se la puede ver
con más claridad en la Figura 18 de los anexos.
Fig. 7: Diagrama eléctrico simplificado del SCAI.
El diagrama de alimentación y fuerza se lo puede observar
más detalladamente en el anexo 2.
Algoritmo para control de iluminación.
Se analizó la placa de programación seleccionada para rea-
lizar el control y se elaboró el código que permitió cumplir
con las condiciones deseadas como se puede ver en el ane-
xo 1. A continuación en la Tabla 8 se puede observar las en-
tradas y salidas del controlador, y su función en el sistema.
En la Figura 8 se puede observar la vista esquemática del
panel de control del SCAI.
El interruptor 1 activa el modo automático y el interruptor
2 el modo proyección.
Modos de funcionamiento: Dependiendo de la combina-
ción de los estados de los interruptores 1 y 2 se pueden esta-
blecer 4 modos de funcionamiento:
Modo 1
Cuando el interruptor 1 está en posición ON y el interruptor
2 este en posición ON entonces la salida de voltaje será igual
a 5 V, lo que significa que se utilizará la potencia necesaria
Tabla 8: Tabla de entradas/salidas del controlador.
Variable Función
salidaPWM/ sali-
daPWM2
Variables donde se almacenan la
cantidad de voltaje de salida que
tendrá el pin físico de la salida
botonPin/ botónPin2
Variables donde se establecen el pin
del Arduino donde se conectará los
interruptores de función y se esta-
bleció como variable de entrada.
estadoBoton/ estado-
Boton2
Se establecieron como variables de
entrada y tienen un valor inicial de
0, indica que inicialmente los inte-
rruptores estarán apagados o en po-
sición 0.
sensorValue/ sensor-
Value2/ salidaPWM2
Son variables de entrada para alma-
cenar los datos recopilados por el
sensor.
Fig. 8: Panel de control del SCAI.
para mantener los 300 lx en el plano de trabajo, de manera
continua, es decir no se adapta a la iluminación natural.
Modo 2
Cuando el interruptor 1 está en posición OFF y el interruptor
2 este en posición OFF entonces la salida de voltaje será igual
a 0 V, es decir el sistema de iluminación esta apagado.
Modo 3 (Modo Automático)
Cuando el interruptor 1 está en posición ON y el interruptor
2 este en posición OFF, la salida de voltaje que controla al
driver de la luminaria, se ajustará en función del voltaje pro-
veniente del sensor de iluminación el cual envia esta señal al
controlador. Así entre menor sea el voltaje de entrada medi-
do por el sensor de iluminación (menor iluminación natural)
mayor será el voltaje de salida que va hacia el driver (mayor
iluminación artificial) y viceversa, de esta manera se auto-
rregula la iluminación artificial en función de la iluminación
natural para mantener la consigna de 300 lx en el plano de
trabajo.
Modo 4 (Modo proyección)
Cuando el interruptor 1 está en posición OFF y el interruptor
2 este en posición ON entonces la salida de voltaje será de 1
voltio en los paneles posteriores del aula y de 0 V en el panel
delantero (cerca a la pizarra), es decir cerca del proyector la
lámpara se apaga y las luminarias que iluminan los pupitres
se autorregulan a 100 lx aproximadamente para permitir el
uso de proyector de diapositivas.
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e-ISSN: 1390-5902
CEDAMAZ, Vol. 13, No. 2, pp. 205–217, mes Julio–Diciembre fin 2023
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Activación con movimiento
Todo el sistema se activa con un sensor de movimiento in-
corporado en el sensor de iluminacion, por lo que el sistema
no necesita ser activado o desactivado manualmente.
En la Figura 9, Figura 10 y Figura 11 se muestran respec-
tivamente:
- El valor de iluminación artificial que se tiene en función
del valor de tensión en las salidas analógicas.
- Los valores de tensión en las entradas analógicas en fun-
ción de la iluminación medida en los sensores.
- La relación inversa que existe entre la tensión en las sa-
lidas para generar la iluminación artificial, y la tensión en
función de la iluminación medida en el sensor.
Fig. 9: Iluminación artificial en función del voltaje aplicado.
Fig. 10: Tensión eléctrica en función de la iluminación medida.
El algoritmo con las condiciones y modos de funciona-
miento del SCAI se pueden entender de mejor manera anali-
zando la Figura 12.
Construcción de SCAI.
Una vez que se realizaron algunas pruebas de funcionamien-
to del sistema, y mediciones con un luxómetro para verificar
que se obtengan los valores de iluminación deseados, se co-
locó el procesador, regulador y convertidores de tensión en
el interior de un tablero termoplástico con protección IP40,
luego se insertaron en la cubierta el sensor de iluminación,
interruptores, y demás elementos del sistema de control. A
Fig. 11: Señal de salida en función de la señal de entrada.
Fig. 12: Diagrama de flujo del algoritmo utilizado.
continuación, se procedió a cargar el programa final en la pla-
ca de programación y colocar el cableado de fuerza y control
tomando en cuenta el diagrama de instalación. Por último, se
realizó el mismo procedimiento para alojar el segundo sen-
sor. La ubicación de los elementos en los tableros se puede
observar en la Figura 13 y Figura 14. En las figuras, Figura
15 y Figura 16 se pueden observar la disposición final del
sistema.
Fig. 13: Ubicación del sensor de iluminación.
2.4. Medición del consumo eléctrico del sistema de
iluminación automático con tecnología LED
Para el monitoreo del consumo eléctrico del SCAI, Se usa-
ron dos tipos de medidores, el dispositivo básico Emylo y los
sistemas de monitoreo inteligente Emporia (Figura 17), ins-
talados en función del Proyecto 19-DI-FEIRNNR-2023 del
211
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO PARA ILUMINACIÓN PACHECO-MACAS et al.
Fig. 14: Conexiones eléctricas del sistema de control.
Centro de Investigaciones Tecnológicas y Energéticas (CI-
TE) de la Universidad Nacional de Loja. La interfaz de los
medidores Emporia permite revisar datos de consumo eléc-
trico cada hora, día, mes y año, como se puede apreciar en la
Figura 18.
Fig. 15: Disposición de las luminarias LED dimerizables.
Fig. 16: Ubicación de los elementos del SCAI en el aula.
2.5. Proyección del consumo con iluminación conven-
cional con tecnología LED
Para proyectar el consumo de un sistema de iluminación
convencional, es decir sin control, con tecnología LED, se
Fig. 17: Monitor inteligente Emporia.
Fig. 18: Interfaz del monitor Emporia.
dividió el consumo eléctrico del sistema con lámparas fluo-
rescentes para la potencia instalada de las mismas, es decir se
calculó el tiempo de uso. El tiempo de uso multiplicado por
la potencia de los paneles LED da como resultado el consu-
mo aproximado que se tendría bajo las mismas condiciones
con lámparas LED, como se puede apreciar en la ecuación
(11):
ConsumoLED =ConsumoAulaFluorescente ×PotenciaLED
PotenciaFluorescente (11)
2.6. Análisis de datos de consumo eléctrico
Con los datos recopilados mediante los medidores inteli-
gentes instalados en cada una de las aulas del bloque A3 se
decidió realizar una proyección de consumo energético de un
sistema de iluminación convencional con tecnología LED y
el SCAI, esto con la finalidad de conocer el nivel de ahorro
energético que se lograría al implementar estos sistemas. Se
clasificó los datos en tablas, para luego representar en un grá-
fico de barras y exponer el consumo de estos tres sistemas.
Como se aprecia en la Tabla 11 y la Figura 18.
212
e-ISSN: 1390-5902
CEDAMAZ, Vol. 13, No. 2, pp. 205–217, mes Julio–Diciembre fin 2023
DOI: 10.54753/cedamaz.v13i2.2110
2.7. Análisis de radiación y luz solar en la ciudad de
Loja
Con los datos recopilados mediante los medidores inteli-
gentes instalados en cada una de las aulas del bloque A3 se
realizó una proyección de consumo energético de un sistema
de iluminación convencional con tecnología LED y el SCAI,
esto con la finalidad de conocer el nivel de ahorro energéti-
co que se lograría al implementar estos sistemas. Se clasificó
los datos en tablas, para luego representar en un gráfico de
barras y exponer el consumo de estos tres sistemas. Como se
aprecia en la Tabla 12 y la Figura 19.
RESULTADOS
Análisis comparativo de sistemas
Se analizaron las diferencias clave entre el sistema antiguo
de iluminación con tecnología fluorescente, el sistema pro-
yectado convencional con tecnología LED y el sistema de
control automático de iluminación con tecnología LED di-
merizable. Se consideraron aspectos cruciales como eficien-
cia energética, durabilidad, calidad de luz, vida útil y cos-
tos operativos. Con ello, se pretende demostrar las ventajas
significativas que ofrecen los sistemas LED, consolidándo-
se como una opción valiosa y sostenible en el campo de la
iluminación moderna.
En la Tabla 9 se muestra una comparación entre el sistema
antiguo y el SCAI, donde resaltan las ventajas de éste últi-
mo sobre los sistemas de iluminación tradicionales en varios
aspectos. Su eficiencia energética, larga vida útil y mejor ca-
lidad de luz es una opción más atractiva y sostenible para
iluminar diversos entornos.
Tabla 9: Análisis comparativo entre sistema antiguo de
iluminación y sistema de iluminación LED Dimerizable en el aula
objeto de estudio.
Sistema anti-
guo
Sistema de
control au-
tomático
de ilumina-
ción(SCAI)
Luminarias 2×2 3×1
Tipo de lumina-
ria Fluorescente LED
Potencia por lu-
minaria 40 W ×2 45 W ×1
Selección de
escenas No
Si(Modo
automático-
Modo proyec-
ción)
Vida útil 5000 h 50000 h
Panel difusor
de luminosidad No Si
Impacto am-
biental
Mayor huella
de carbono
Menor huella
de carbono
Consumo men-
sual 27.56 kWh 10.55 kWh
Costo mensual
del servicio 2.48 USD 0.95 USD
Porcentaje de
ahorro 61.7%
Consumo ener-
gético por área
1.0008
kWh/m20.3834
kWh/m2
La Tabla 10 indica los valores de las áreas de las aulas del
Bloque 3, que se utilizaron para calcular el consumo eléctrico
por unidad de área.
Tabla 10: Áreas de cada una de las aulas del bloque 3 de la
FEIRNNR.
Aula Área(m2)
A333 44.92
A332 44.92
A334 67.63
A322 44.92
A323 44.92
A324 67.36
A312 27.54
A313 45.61
A314 32.41
A315 27.53
En la Tabla 11, se presentan los consumos promedio
actuales del sistema de iluminación del Bloque A3 de la
FEIRNNR, junto con los consumos proyectados de un siste-
ma convencional LED y un SCAI para cada aula. Esta com-
parativa se llevó a cabo con el objetivo de analizar de manera
más efectiva los beneficios potenciales de la implementación
de esta tecnología en las aulas.
Los valores fueron tomados de los medidores inteligentes
instalados en el Bloque A3, donde se realizó un cálculo pro-
mediado de los consumos que se obtendrían al implementar
un cambio de luminarias por una tecnología LED, de igual
manera se encuentran las proyecciones del sistema SCAI.
Además, es posible observar el consumo mensual por unidad
de área de cada una de las aulas del Bloque A3, esto ofrece
una visión del beneficio de instalar un SCAI o reemplazar el
sistema de luminarias por paneles LED.
DISCUSIÓN
Para contrastar los resultados sobre los niveles de ilumi-
nación necesarios en aulas de estudio, se determinó que el
aula A312 requiere un flujo luminoso mínimo de 9371.55 lm
para alcanzar 300 lx en el plano de trabajo, cumpliendo con
las normas UNE 12464.1 (2018) y la Norma Ecuatoriana de
Construcción (NEC) en su capítulo NEC-HS-EE: Eficien-
cia Energética (“NEC: Norma Ecuatoriana de la construc-
ción. Eficiencia Energética en Edificaciones Residenciales”,
2018). Se logró cumplir con el nivel mínimo de iluminación
utilizando 3 paneles LED dimerizables de 45 W y se corrobo-
ró los cálculos mediante la simulación en el software Dialux.
Otros estudios, como el de Sanchez-Cueva (2022) estableció
en el plano de trabajo, 736 lx con 6 luminarias de 30 W para
la misma aula, aunque esto aumenta el consumo de energía.
Se señala que la disponibilidad limitada de paneles dimeri-
zables en el mercado nacional dificultó la adquisición, lo que
resultó en la importación de equipos desde España y Colom-
bia, causando retrasos en la implementación del sistema.
213
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO PARA ILUMINACIÓN PACHECO-MACAS et al.
Resumen de consumos del sistema antiguo, proyección con LED convencional y SCAI.
Tabla 11: Resumen de valores de consumo eléctrico mensual de sistemas proyectados en el bloque A3 de la FEIRNNR de la UNL.
Consumo mensual Consumo mensual Costo mensual Ahorro mensual
por unidad de área
Aula
Sistema
Anti-
guo
Sistema
LED SCAI
Sistema
Anti-
guo
Sistema
LED SCAI
Sistema
Anti-
guo
Sistema
LED SCAI Sistema
LED SCAI
(kWh) (kWh) (kWh) (kWh
/m2)
(kWh
/m2)
(kWh
/m2)USD USD USD USD USD
A333 61.66 26.01 23.62 1.37 0.57 0.52 5.54 2.34 2.12 3.20 3.42
A332 52.17 22.01 19.98 1.16 0.49 0.44 4.69 1.98 1.79 2.71 2.89
A334 94.73 42.62 36.29 1.40 0.63 0.53 8.52 3.83 3.26 4.68 5.25
A322 48.65 20.52 18.63 1.08 0.45 0.41 4.37 1.84 1.67 2.53 2.70
A323 50.82 21.44 19.47 1.13 0.47 0.43 4.57 1.92 1.75 2.64 2.82
A324 89.69 40.36 34.36 1.33 0.59 0.51 8.07 3.63 3.09 4.43 4.97
A312 27.56 18.90 10.55 1.00 0.68 0.38 2.48 1.70 0.95 0.77 1.53
A313 18.23 10.25 06.98 0.39 0.22 0.15 1.64 0.92 0.62 0.71 1.01
A314 21.13 15.85 08.09 0.65 0.48 0.24 1.90 1.42 0.72 0.47 1.17
A315 07.99 04.49 03.06 0.29 0.16 0.11 0.71 0.40 0.27 0.31 0.44
Total 472.67 222.49 181.08 9.82 4.79 3.76 42.54 20.02 16.29 22.51 26.24
Promedio 47.26 002.24 018.10 0.98 0.47 0.37 04.25 2.00 01.62 02.25 02.62
Para tener una mejor visualización de los consumos ener-
géticos, se realizó el diagrama de barras que se muestra en la
Figura 19.
Fig. 19: Consumo mensual de los diferentes sistemas de
iluminación.
Además, es importante destacar que el color de las pare-
des presente en el aula de clases es amarillo, con un índice
de reflexión de 0.5 a 0.7, lo que influye en la reflexión del
flujo luminoso dentro del aula, debido a que los colores de
tonos claros y neutros, reflejan mejor la luz natural y artifi-
cial, como, por ejemplo, el blanco con índice de reflexión de
0.75-0.85. Es decir con un color completamente claro o tono
pastel, se podría mejorar el índice de reflexión, lo que redu-
ciría en cierta medida el consumo eléctrico. Se construyó un
sistema utilizando un sensor de iluminación y un controlador
Arduino para procesar la información y controlar la atenua-
ción del panel LED, manteniendo una iluminación de 300 lx
en el plano de trabajo conforme a las normas mencionadas.
Sanchez-Cueva (2022) presentó un sistema de control basa-
do en horarios, activando las luminarias con sensores de mo-
vimiento y luminosidad, también utilizando un controlador
Arduino. Por otro lado, para otro sistema de iluminación en
otro contexto, Ruales Gavilanes (2020) propuso un sistema
de escenas automático que ajusta la iluminación según la ho-
ra del día, aunque no controla la atenuación basada en la luz
natural, cuenta con un sistema de escenas manuales para aho-
rrar energía. En el análisis comparativo de funcionamiento,
se obtuvieron resultados que demostraron un ahorro notable
con el sistema automático de iluminación en comparación
con el sistema antiguo que utilizaba lámparas fluorescentes.
Durante un mes con labores académicas normales en el aula
objeto de estudio, el consumo energético del sistema antiguo
fue de 27.56 kWh, mientras que el sistema de control auto-
mático solo consumió 10.55 kWh, lo que representa un aho-
rro del 61.7%. Investigaciones anteriores en otros contextos
respaldan que se puede generar un porcentaje de ahorro, ins-
talando sistemas de control de iluminación. Ruales Gavilanes
(2020) implementó un sistema de control automático de ilu-
minación, obteniendo un ahorro del 55.06% en comparación
con el sistema de iluminación convencional. Además, Porto-
carrero Chauca (2017) aplicó el protocolo DALI para contro-
lar las luminarias, logrando un ahorro del 41.78%. A pesar
de que los resultados pueden variar según el área de ilumina-
ción, ventanales en los espacios, colores de superficies, etc.,
en general, se observarán ahorros significativos. Cabe des-
tacar que el sistema centralizado del protocolo mencionado
(DALI) permite controlar las luminarias desde una compu-
tadora central, lo que resulta en una mayor eficiencia opera-
tiva. Sin embargo, es importante mencionar que, actualmente
sería difícil la implementación en Ecuador debido a que en el
mercado nacional no existe oferta de estos equipos. Además,
el ahorro energético por el cambio de luminarias fluorescen-
tes a LED en el aula de estudio fue estimado en 31.4%. El
estudio desarrollado por Pompei et al. (2022), demostró que
dicho ahorro puede oscilar entre el 70% al 40% en edifi-
caciones. En general, las condiciones de iluminación deben
ser adecuadas no solo para las personas, sino que también se
214
e-ISSN: 1390-5902
CEDAMAZ, Vol. 13, No. 2, pp. 205–217, mes Julio–Diciembre fin 2023
DOI: 10.54753/cedamaz.v13i2.2110
pueden estudiar métricas para que el entorno también faro-
vezca el crecimiento de plantas (Madias et al., 2023) y, ade-
más, se puede buscar una integración con el internet de las
cosas (Chiradeja y Yoomak, 2023).
CONCLUSIONES
Los resultados de la investigación indican que se necesitan
3 paneles LED dimerizables de 45 W para alcanzar 300 lx de
iluminación en el aula A312, respaldando este cálculo me-
diante la simulación en el software Dialux. Sin embargo, se
encontró que Sanchez-Cueva (2022) alcanzanzó niveles más
altos (736 lx) con una configuración diferente. Aunque am-
bas opciones cumplen con los requisitos de iluminación, es
crucial considerar el impacto energético relacionado con el
aumento de potencia en las luminarias. Los resultados respal-
dan la eficacia de usar un controlador y sensores de luminosi-
dad como sistema de control para mantener una iluminación
constante de 300 lx, cumpliendo con las normas. Aunque es-
ta opción es viable, se podrían aplicar otras opciones como el
módulo atenuador PowPak, que también ofrece control dime-
rizable pero podría ser más difícil de obtener en el mercado
nacional. Además, se destaca la versatilidad de otras solu-
ciones de control, como la de Sanchez-Cueva (2022) basa-
da en sensores de movimiento y luminosidad, y el sistema
de escenas presentado por Ruales Gavilanes (2020). Cada
enfoque tiene ventajas distintas y su elección dependerá de
la disponibilidad de tecnología y los objetivos de eficiencia
energética y funcionalidad en situaciones específicas. El aná-
lisis comparativo demuestra que la implementación del siste-
ma automático de iluminación genera un importante ahorro
del 61.7% (1.53 USD mensuales) en el consumo mensual en
función de las jornadas académicas normales, en compara-
ción con el sistema antiguo con tecnología fluorescente. Las
investigaciones previas, de Sánchez Cueva, Ruales Gavilanes
y Portocarrero Chauca, analizadas en la discusión, respaldan
estas conclusiones al mostrar que otros sistemas automáti-
cos han logrado ahorros sustanciales en energía. El proyecto
enfatiza la necesidad de invertir más en investigación y de-
sarrollo de tecnologías de control de iluminación eficientes
y asegurar su disponibilidad en el mercado local, con el ob-
jetivo de maximizar los ahorros energéticos y contribuir a la
sostenibilidad en cuanto a sistemas de iluminación.
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Nacional de Loja, la Facultad de la Ener-
gía, las Industrias y los Recursos Naturales No Renovables, a
la carrera de Ingeniería Electromecánica, al Proyecto 19-DI-
FEIRNNR-2023 y al Centro de Investigaciones Tecnológicas
y Energéticas (CITE) que, de una u otra forma, contribuye-
ron en la realización de este trabajo. Gracias por su tiempo,
su colaboración, y sus valiosos aportes.
CONTRIBUCIONES DE LOS AUTORES
Conceptualización: RCR y JPM; metodología: RCR y
JPM; análisis formal: RCR y JPM; investigación: JPM y
CSO; recursos: JPM; curación de datos: JPM, COR e ICV;
redacción — preparación del borrador original: JPM, SCR y
RCR; redacción — revisión y edición: JPM, SCR, RCR, EPH
y JCM; visualización: EPH, JGP y FRC; supervisión: RCR;
administración de proyecto: JPM y RCR. Todos los autores
han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.
Josmani Pacheco-Macas: JPM.Raúl Chávez-Romero: RCR.
Sara Chávez-Romero: SCR. Carlos Samaniego-Ojeda: CSO.
Juan Chuncho-Morocho: JCM. Cristian Ortega-Reyes: COR.
Edwin Paccha-Herrera: EPH. Ivan Coronel-Villavicencio:
ICV. Julio Gomez-Peña: JGP. Fernando Ramírez Cabrera:
FRC.
FINANCIAMIENTO
El presente trabajo no contó con ninguna fuente de finan-
ciamiento formal
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by: 0; All Open Access, Gold Open Access, Green Open
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ANEXOS
Anexo 1
Código de programación
const int botonPin = 2; // Pin del interruptor 1
const int botonPin2 = 4; // Pin del interruptor 2
int estadoBoton = 0; // Variable para almacenar el estado del
interruptor 1
int estadoBoton2 = 0; // Variable para almacenar el estado del
interruptor 2
const int salidaPWM = 9; // Pin de voltaje de salida
const int salidaPWM2 = 10; // Pin de voltaje de salida
// Función para escalar un valor de entrada desde un rango
inicial a un rango deseado
float scaleValue(float inputValue, float inputMin, float input-
Max, float outputMin, float outputMax)
{return map(inputValue, inputMin, inputMax, outputMin,
outputMax);}
void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(botonPin, IN-
PUT); // Configura el pin del interruptor 1 como entrada
pinMode(botonPin2, INPUT); // Configura el pin del inte-
rruptor 2 como entrada
pinMode(salidaPWM, OUTPUT); // Configura la variable
como salida
pinMode(salidaPWM2, OUTPUT); // Configura la variable
como salida
pinMode(9, OUTPUT); // Configurar el pin 9 como salida
analógica
pinMode(10, OUTPUT); // Configurar el pin 10 como salida
analógica }
void loop() { // Leer el valor analógico desde el pin A0 esta-
doBoton = digitalRead(botonPin);
estadoBoton2 = digitalRead(botonPin2);
int sensorValue = analogRead(A0);
int sensorValue2 = analogRead(A3);
if (estadoBoton == 1 and estadoBoton2==0) { // Escalar el
valor leído del rango de 0-1023 a un rango de 0-255 (valores
analógicos para el MODO AUTOMÁTICO)
int scaledValue = scaleValue(sensorValue, 0, 850, 255, 0);
int scaledValue2 = scaleValue(sensorValue2, 0, 880, 255, 0);
// Escribir el valor escalado en el pin 9 (salida analógica) ana-
logWrite(9, scaledValue);
analogWrite(10, scaledValue2); }
if (estadoBoton2 == 0
if (estadoBoton == 0) { ){
// Condición para cuando los interruptores 1 y 2 estén en po-
sición OFF el voltaje de salida se ajuste a 0V
Serial.print("voltaje mínimo"); analogWrite(salidaPWM, 0)
;
analogWrite(salidaPWM2, 0) ;}}
if (estadoBoton2 == 1
if (estadoBoton == 1) { ){ // Condición para cuando los in-
terruptores 1 y 2 estén en posición ON el voltaje de salida se
ajuste a 5V
Serial.print("Voltaje máximo");
analogWrite(salidaPWM, 255);
analogWrite(salidaPWM2, 255);}}
if (estadoBoton2 == 1 and estadoBoton==0) //
Condición para cuando el interruptor 2 esta en posición ON
y el interruptor 1 esta en posición OFF, el voltaje de salida se
ajusta en 1V (MODO PROYECCIÓN)
analogWrite(salidaPWM2 , 51) ;
// Imprime los valores en el puerto serial
Serial.print("Valor original: ");
Serial.print(sensorValue);
Serial.print("Valor original: ");
Serial.print(sensorValue2);
delay(100); // Pequeña pausa para evitar lecturas y escrituras
muy rápidas
216
