ES2550687B1 - Sistema de gestión de nodos inteligentes para el alumbrado - Google Patents
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Abstract
Sistema de gestión de nodos inteligentes para el alumbrado.#El sistema comprende al menos un centro de control (1) que gestiona a una pluralidad de nodos inteligentes (2), de modo que cada nodo inteligente contiene una lámpara LED (3) y un driver (4) que gobierna dicha lámpara LED, y al menos un router (5) para direccionar la información entre el centro de control y los nodos inteligentes. Los nodos inteligentes (2) se agrupan en dominios, correspondiéndose cada dominio con una zona de alumbrado determinada o con parte de una zona de alumbrado, comprendiendo cada driver (4) un módulo de información (6) para su configuración dentro de un dominio, e incluyendo cada módulo de información datos técnicos del nodo inteligente correspondiente y las claves de seguridad para su configuración en modo inalámbrico.
Description
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SISTEMA DE GESTION DE NODOS INTELIGENTES PARA EL ALUMBRADO
D E S C R I P C I O N
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a un sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado.
Asf pues, la invencion tiene su aplicacion por tanto en el ambito de los sistemas de gestion de luminarias, pudiendose utilizar para iluminar zonas urbanas, carreteras, tuneles de carreteras, zonas industriales, empresas, etc.
El objeto de la invencion es el de proporcionar un sistema que gestione dichos nodos para el alumbrado de forma inteligente, permitiendo realizar el alumbrado de una zona de alumbrado o una pluralidad de zonas de alumbrado de una forma eficiente y que se adapte a las necesidades de alumbrado de cada momento, todo ello con una facil configuracion, en base a que su instalacion/configuracion se lleve a cabo de forma automatizada , evitando la formacion del personal en el uso e instalacion de estas lamparas LED.
Asf pues, es objeto de la invencion que el instalador pueda instalar las lamparas de manera inmediata en cada nodo, de forma sencilla, sin tener que realizar estudios previos de ingenierfa de localizacion y ruteos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Si bien existen gran variedad de sistemas de gestion de nodos de alumbrado, este tipo de instalaciones requieren de una compleja instalacion y configuracion, por lo que los operarios o instaladores encargados de dicha tarea deben tener una alta formacion tecnica, lo que evidentemente encarece sensiblemente las tareas de instalacion, a lo que hay que anadir el elevado periodo de tiempo que precisa dicha instalacion y configuracion, factores todos ellos
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que repercuten negativamente en el coste de la instalacion.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
El sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado que se preconiza resuelve de forma plenamente satisfactoria la problematica anteriormente expuesta, en base a una solucion sumamente eficaz.
Para ello, el sistema de la invencion comprende un centro de control que gestiona una pluralidad de nodos inteligentes, comprendiendo cada nodo inteligente una lampara LED y un driver que gobierna dicha lampara LED, y al menos un router para direccionar la informacion entre el centro de control y los nodos inteligentes.
El sistema de gestion podrfa comprender, en funcion de las dimensiones que tenga, mas de un centro de control.
Los nodos se agrupan en dominios, correspondiendose cada dominio con una zona de la luminaria determinada o con parte de una zona de alumbrado.
Cada driver comprende un modulo de informacion para su configuracion dentro de un dominio, y cada modulo de informacion incluye los datos tecnicos del nodo inteligente correspondiente y las claves de seguridad para su configuracion en modo inalambrico.
De esta forma, cada nodo automatiza su propia instalacion evitando la formacion del personal en el uso e instalacion de las lamparas asociadas a dicho nodo.
El modulo de informacion de cada driver comprende una etiqueta RFID o un codigo de barras continuo o bidimensional.
En la configuracion de un nodo inteligente, a dicho nodo se le asigna la altura a la que se dispone la iluminacion LED.
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El centro de control define el nivel de iluminacion necesario en cada zona de alumbrado, de manera que en dichas zonas se establece un sensor por cada zona de alumbrado o por cada area de actuacion que comprende varias zonas de alumbrado que envfa informacion al centro de control a traves de un router asociado a dicha zona de alumbrado, siendo dicha informacion relativa al nivel de intensidad de la luz ambiente, la humedad, la lluvia y/o el viento.
Por su parte, cada driver comprende un microcontrolador que calcula la intensidad a la que tiene que alimentar la lampara LED en funcion del nivel de iluminacion definido por el centro de control, un modulo de comunicaciones para comunicarse con el router asociado al nodo inteligente y un modulo de potencia que alimenta la lampara LED. Dichos drivers tambien incluyen un rele para cortar la alimentacion de la lampara LED cuando el centro de control define el nivel de iluminacion cero.
El centro de control monitoriza el estado de las lamparas LED pidiendo informacion a los drivers asociados a dichas lamparas LED, de modo que se puede conocer de modo remoto si una lampara LED esta quemada.
Dicho centro de control tambien monitoriza el estado de los modulos de potencia de los drivers pidiendo informacion a dichos drivers, de modo que se puede conocer de modo remoto si los modulos de potencia estan degradados.
La comunicacion entre un router y los nodos inteligentes asociados a dicho router se realiza con un protocolo maestro-esclavo, siendo el router el maestro y los nodos inteligentes los esclavos.
En la configuracion de un nodo inteligente, se le asocia al router con mayor indicador de fuerza de la senal recibida (RSSI).
Finalmente, cabe destacar el hecho de que cada router esta adaptado para transmitir una senal cada un intervalo de tiempo predeterminado a los drivers asignados a dicho router, y los drivers estan adaptados para encender la lampara LED asociada si no reciben dicha senal en un periodo de tiempo predeterminado.
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DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripcion que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caractensticas del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realizacion practica del mismo, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de planos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una representacion correspondiente a un diagrama de bloques esquematico de un sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado realizado de acuerdo con el objeto de la presente invencion.
La figura 2.- Muestra una tabla correspondiente a la configuracion de los dominios, nodos y routers asignados para la dos zonas de alumbrado.
REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
Como se puede ver en las figuras resenadas, y en especial de la figura 1, El sistema de gestion de nodos inteligentes comprende un centro de control (1) que gestiona una pluralidad de nodos inteligentes (2).
Cada nodo inteligente comprende una lampara LED (3) y un driver (4) que gobierna dicha lampara LED. El sistema de gestion puede comprender, en funcion de las dimensiones que tenga, mas de un centro de control. El sistema de gestion comprende una pluralidad de routers (5) o enrutadores para direccionar la informacion entre el centro de control (1) y los nodos inteligentes (2). En numero de routers (5) depende del area de iluminacion que se quiera abarcar. En esta realizacion se emplean preferentemente routers que tienen una cobertura de un radio de 1,5 km aproximadamente.
Los nodos inteligentes (2) se agrupan en dominios, correspondiendose cada dominio con una zona de alumbrado determinada (una calle, un barrio, etc.) o con parte de una zona. Cada driver (5) comprende un modulo de informacion (6) para su configuracion dentro de un
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dominio. Cada modulo de informacion (6) incluye datos tecnicos del nodo inteligente correspondiente y las claves de seguridad para su configuracion en modo inalambrico.
Gracias a esta informacion el instalador puede instalar la lampara de manera inmediata, sencilla y sin estudios previos de ingenierfa de localizacion y ruteos.
En esta realizacion el modulo de informacion comprende una etiqueta RFID (“Radio Frequency IDentification”) (7).
El hecho de que cada driver (4) comprenda un modulo de informacion (6) en el que se especifican tanto las caracterfsticas del nodo inteligente como las claves necesarias para su configuracion, facilita el proceso de configuracion de un nodo inteligente (2) al sistema de alumbrado. Cuando se desea anadir un nodo inteligente al sistema, el instalador lee la informacion del modulo de informacion (6), y a continuacion coloca la lampara LED (3) en la posicion definitiva. El instalador se conecta al driver (4) utilizando las claves previamente lefdas centro de control gestiona la configuracion del nodo inteligente, asignandole el dominio al que pertenece, el router (5) asociado y las claves de seguridad para la comunicacion. Ademas, el instalador a traves de una aplicacion le asignara parametros tales como la altura a la que se dispone la lampara LED (3) y la ubicacion del nodo inteligente.
El instalador dispondra preferentemente de un aparato GPS para poder determinar con exactitud las coordenadas de la ubicacion del nodo inteligente (2). En otras realizaciones, el modulo de informacion puede comprender un codigo de barrascontinuo o bidimensional, en particular un codigo QR o codigo de respuesta rapida.
En esta realizacion el sistema de gestion comprende un gateway o pasarela comunicado con el centro de control que tiene una pluralidad de routers asociados. Las funciones de un gateway son las siguientes:
- encolar y priorizar las comandos por cada nodo y dominio,
- distribuir las claves y firmas a los routers y a los nodos,
- gestionar todas las peticiones de los routers
- almacenar temporalmente los valores aportados por los routers antes de
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enviarlos a cada centro de control
Este diseno es transaccion en cada capa pero evita una carga de trabajo importante en los servidores del centro de control ya que estos reciben los datos ya preprocesados. En caso de que un gateway deje de funcionar, los routers se pueden comunicar con el centro de control a traves de gateways de apoyo. La comunicacion entre centro de control y gateway se realiza por internet.
Del mismo modo, la comunicacion gateway y router se realiza tambien a traves de internet.
Para centros de control que gestionan areas reducidas, tales como una provincia o una comunidad autonoma puede ser suficiente con que el sistema comprenda un solo gateway pero si el area a gestionar es grande, es conveniente que el sistema comprenda varios gateways para reducir el trafico de datos de dichos gateways.
En esta realizacion, el centro de control define el nivel de iluminacion necesario en cada zona de alumbrado. En concreto define el nivel de iluminacion necesario a nivel de suelo, por lo tanto no define la intensidad a la que se debe ajustar cada lampara LED.
Para calcular el nivel de iluminacion se tienen en cuenta diferentes parametros. En esta realizacion, el sistema comprende al menos un sensor por cada zona de alumbrado o por cada area de actuacion que comprende varias zonas de alumbrado, es decir, en el caso de alumbrado de un pueblo que serfa una area de actuacion, puede comprender al menos un sensor por cada barrio o calle o ser suficiente con comprender al menos un sensor comun para todo el pueblo.
Dicho sensor envfa informacion al centro de control (1) a traves de un router asociado a dicha zona de alumbrado o dicha zona de actuacion, siendo dicha informacion relativa al nivel de intensidad de la luz ambiente, la humedad, la climatologfa (lluvia, nieve, etc.), el trafico de vehfculos y/o la velocidad del viento.
De este modo el sistema de gestion, en base a esta informacion mas la que posee en sus servidores (dfa laboral o festivo, hora del dfa, etc.) puede adaptar el nivel de intensidad
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necesario en cada zona de alumbrado a las necesidades de la zona.
En esta realizacion, cada router comprende entradas digitales y analogicas por las que recibe la informacion de los sensores. En otras posibles realizaciones, los sensores pueden ser unidades autonomas que envfan la informacion al router o directamente al centro de control por comunicacion inalambrica, por Ethernet, por WIFI, por comunicacion CAN u otro modo de comunicacion.
El hecho de no tener sensores en cada nodo inteligente hace que el mantenimiento del sistema sea mucho mas sencillo y barato y que el coste de cada driver sea inferior.
El centro de control (1), teniendo en cuenta la informacion recibida a traves de los sensores y teniendo en cuenta otros parametros conocidos por el centro de control, define el nivel de iluminacion requerida en cada momento en cada zona de alumbrado. Los parametro conocidos por el centro de control pueden ser por ejemplo la hora, si es un dfa laboral o no, la estacion del ano, etc. Asf, es diferente el nivel de iluminacion necesario a las dos de la manana un dfa de labor o un dfa festivo, en el que probablemente haya mas gente por la calle y por lo tanto puede ser conveniente que haya mas iluminacion. Por otro lado, si el centro de control conoce que en una zona de alumbrado esta lloviendo sera necesaria una mayor iluminacion que si no estuviera lloviendo. De esta forma se puede adaptar el nivel de iluminacion necesario para a las condiciones de cada momento. De este modo se puede ahorrar una cantidad muy significativa de energfa, del orden del 50% en pafses europeos, en comparacion con los sistemas de iluminacion tradicionales en los que el nivel de intensidad de alumbrado es siempre el 100%, ya que se fija sin tener en cuenta las necesidades de cada momento.
Cada driver (4) comprende un microcontrolador (8) que comprende unas tablas en las que, en funcion del nivel de iluminacion definido por el centro de control y la altura en la que se dispone la lampara LED, se genera una senal de control para que a nivel de calle se alcance el nivel de iluminacion requerida.
Cada driver (4) comprende tambien un modulo de comunicaciones (9) para comunicarse con el router (5) asociado al nodo inteligente (2) que a su vez intercambia informacion con el
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microcontrolador (8). En esta realizacion la comunicacion entre un nodo inteligente y el router asociado se realiza en modo inalambrico utilizando el protocolo LoRa, ya que es un protocolo que ofrece una cobertura adecuada en entornos con obstaculos. En esta realizacion la comunicacion se realiza en la frecuencia 868 MHz ya que es mas robusta frente a la humedad y el ancho de banda necesario no exige el uso de 2.4 GHz.
En otras realizaciones el modulo de comunicaciones puede utilizar otro tipo de protocolos de comunicacion inalambrica.
En otras realizaciones, para el alumbrado de zonas donde la comunicacion inalambrica no es adecuada, por ejemplo en tuneles, se utilizara otro tipo de comunicaciones, como por ejemplo comunicacion CAN.
Para la alimentacion de la lampara LED (3) el driver (4) comprende un modulo de rectificacion (10’), un modulo de potencia (10) y un rele (11) dispuesto el modulo de rectificacion y el modulo de potencia. El modulo de rectificacion alimenta tanto el microcontrolador (8) como el modulo de potencia. El microcontrolador (8) controla el modulo de potencia (10) y el rele (11) en funcion de la informacion que recibe desde el centro de control (1).
Asf, si el centro de control considera que no hay necesidad de iluminacion, el microcontrolador desconecta el rele de modo que el modulo de potencia y por lo tanto la lampara LED se quedan sin alimentacion. De esta manera se aumenta la vida util del modulo de potencia y la lampara LED de manera significativa, a mas del doble, ya que los elementos que lo componen no sufren deterioro durante los periodos en los que las lamparas LED permanecen apagadas. Por el contrario, si el centro de control considera que es necesario encender las lamparas LED, el driver recibira esta informacion a traves del router correspondiente y el controlador activara el rele y enviara una senal de control al modulo de potencia. El modulo de potencia varfa la intensidad con la que alimenta la lampara LED en funcion de la senal de control que recibe del microcontrolador. En funcion de la intensidad la lampara LED alumbrara mas o menos. En esta realizacion, el centro de control, ademas de definir el nivel de iluminacion necesario en cada zona de alumbrado, monitoriza el estado de las lamparas LED .
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Para realizar la monitorizacion el centro de control (1) pide informacion a los drivers (4) asociados las lamparas LED (3), de modo que se puede conocer de modo remoto si una lampara LED esta quemada.
De este modo se puede conocer en remoto el estado de las lamparas LED sin que tenga que ir un operario a ver el estado de cada lampara LED in situ.
Ademas, en esta realizacion el centro de control (1) monitoriza tambien el estado de los modulos de potencia (10) de los driver (4). Para ello pide informacion a dichos drivers, los cuales reciben informacion sobre la corriente y tension del modulo de potencia de modo que comparandolos con los valores nominales conocidos por el microcontrolador, este puede conocer si el modulo de potencia esta degradado e informar al centro de control.
Toda la informacion se visualiza y controla a traves del software de gestion del servidor, que constituye un SCADA (Supervision, Control y Adquisicion de Datos) desarrollado explfcitamente para esta aplicacion y que es totalmente configurable para cada una de las necesidades particulares.
En esta realizacion la comunicacion entre un router y los nodos inteligentes asociados a dicho router se realiza con un protocolo maestro-esclavo, siendo el router el maestro y los nodos inteligentes los esclavos.
Los nodos inteligentes no tienen capacidad de comunicarse con el resto de nodos inteligentes, de hecho no conocen el resto de nodos inteligentes que conforman el dominio al que pertenecen.
Aunque normalmente los comandos seran emitidos por el maestro, el protocolo desarrollado permite tambien que los esclavos puedan generar eventos, iniciando la comunicacion el propio esclavo.
Este diseno maestro esclavo evita toda la ingenierfa de preestudio que requieren los clasicos sistemas basados en redes “mesh” o malladas, por ejemplo las redes ZigBee. Esta configuracion permite que el sistema sea sencillo de configurar y tambien sea sencillo
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anadir nuevos nodos inteligentes al sistema.
Ademas, permite que las instalaciones las haga personal sin formacion especffica en redes y agiliza las instalaciones de lamparas LED y su mantenimiento.
Al configurar un nodo inteligente (2), se le asocia al router con mayor indicador de fuerza de la senal recibida (RSSI - “Received Signal Strength Indicator”). Esto es de gran importancia en areas pobladas, donde las reflexiones de senal son impredecibles y por tanto es mejor dejar que sea el propio nodo inteligente quien decida cual es en ese punto de uso el router que mejor responde.
La configuracion se realiza de forma automatica y es gestionada por el centro de control (1).
Asf, los nodos inteligentes de una zona de alumbrado determinada pueden recibir senales de routers diferentes. En el ejemplo de la figura 2 se muestran una primera zona de alumbrado RL1 y una segunda zona de alumbrado RL2 pudiendo corresponderse cada una de dichas zonas por ejemplo con un barrio. En la primera zona de alumbrado RL1 se disponen una pluralidad de nodos inteligentes 20, 21, 22, 23 y 24, mientras que en la segunda zona de alumbrado se disponen otra pluralidad de nodos inteligentes 25, 26 y 27. Ademas, el sistema comprende una pluralidad de routers para comunicar el centro de control con dichos nodos inteligentes 20 a 27.
Como se ha mencionado anteriormente, puede haber nodos que se encuentren en el area de cobertura de mas de un router, asf por ejemplo el nodo inteligente 21 se encuentra en el area de cobertura de los routers R1 y R2 y los nodos inteligentes 23 y 24 se encuentran en el area de cobertura de los routers R2 y R3. Al configurar estos nodos que se encuentran en el area de cobertura de mas de un router, se les asignara el router con mayor RSSI.
Asf, el nodo inteligente 23 esta asignado al router R2 mientras que el nodo inteligente 24 esta asignado al router R3.
Tal y como se observa en la tabla de la comentada figura 2, cada nodo inteligente pertenece a un dominio. Cada router puede estar asociado a varios dominios y cada zona
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de alumbrado puede comprender una pluralidad de dominios. El centro de control definira el nivel de iluminacion necesario en cada zona de alumbrado RL2, por eso dos nodos inteligentes que pertenecen a dos zonas diferentes perteneceran a diferentes dominios, pese a que esten asociados a un mismo router. Asf, los nodos inteligentes 24 y 25 estan asociados al router R3 pero como pertenecen a zonas de alumbrado diferentes cada uno pertenece a un dominio, DOM3 y DOM4 respectivamente.
En esta realizacion un router puede gestionar hasta 1.024 dominios y cada dominio puede comprender hasta 64.000 nodos. Por lo tanto, un router es capaz de gestionar sin interferencias mas de 64 millones de nodos en un radio de no mas de 1,5 km, una densidad muy superior a la que ofrecen otros sistemas de gestion de nodos inteligentes.
Ademas, como un router puede gestionar multiples dominios, se pueden instalar nodos de diferentes proveedores de servicios asociando a cada uno su propio dominio.
Este diseno permite asegurar la privacidad de comunicaciones entre los nodos de cada dominio, ya que cada dominio posee claves y firmas electronicas diferentes. En esta realizacion, cada router esta adaptado para transmitir una senal cada un intervalo de tiempo predeterminado a los drivers asignados a dicho router, y los drivers estan adaptados para encender la lampara LED asociada si no reciben dicha senal en un periodo de tiempo predeterminado.
De esta forma se asegura que en caso de que un router deje de funcionar, no se dejen las zonas asociadas a dicho router a oscuras.
Claims (1)
- 51015202530R E I V I N D I C A C I O N E S1§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, caracterizado porque comprende al menos un centro de control (1) que gestiona a una pluralidad de nodos inteligentes (2), comprendiendo cada nodo inteligente una lampara LED (3) y un driver (4) que gobierna dicha lampara LED, y al menos un router (5) para direccionar la informacion entre el centro de control y los nodos inteligentes, habiendose previsto que los nodos inteligentes (2) se agrupan en dominios, correspondiendose cada dominio con una zona de alumbrado determinada o con parte de una zona de alumbrado, comprendiendo cada driver (4) un modulo de informacion (6) para su configuracion dentro de un dominio, e incluyendo cada modulo de informacion datos tecnicos del nodo inteligente correspondiente y las claves de seguridad para su configuracion en modo inalambrico.2§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el modulo de informacion (6) de cada driver (4) comprende una etiqueta RFID (7) o un codigo de barras continuo o bidimensional.3§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se disponen sensores de nivel de intensidad de la luz ambiente, la humedad, la lluvia y/o el viento por cada zona de alumbrado o por cada area de actuacion que comprende varias zonas de alumbrado que envfan informacion al centro de control a traves de un router asociado a dicha zona de alumbrado.4§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, segun reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque cada driver (4) comprende un microcontrolador (8) con medios para calcular la intensidad a la que tiene que alimentar la lampara LED (3) en funcion del nivel de iluminacion definido por el centro de control (1), un modulo de comunicaciones (9) para comunicarse con el router (5) asociado al nodo inteligente y un modulo de potencia (10) que alimenta la lampara LED (3).5§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, segun la reivindicacion 4§, caracterizado porque el centro de control (1) incluye medios de monitorizacion del estado de510152025las lamparas LED por medio de la informacion recibida por los drivers (4) asociados a dichas lamparas LED.6§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, segun las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque el centro de control (1) incluye medios de monitorizacion del estado de los modulos de potencia (10) de los driver (4).7§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo se emplea un protocolo de comunicaciones maestro-esclavo, siendo el router (5) el maestro y los nodos inteligentes (2) los esclavos.8§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en donde los drivers (4) comprenden un rele (11) para cortar la alimentacion de la lampara LED (3) cuando el centro de control define el nivel de iluminacion cero.9§.- Sistema de gestion de nodos inteligentes para el alumbrado, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada router (5) incluye medios para transmitir una senal cada un intervalo de tiempo predeterminado a los drivers (4) asignados a dicho router, incluyendo los drivers (4) medios para encender la lampara LED (3) asociada si no reciben dicha senal en un periodo de tiempo predeterminado.
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