Diseño de una solución IoT para la gestión de reservas de puntos de carga para vehículos eléctricos

Abstract

[ES] En los últimos años, la migración hacia la movilidad eléctrica y la adopción creciente de vehículos eléctricos han provocado un profundo cambio en la industria del transporte y la logística, junto con el deseado impacto medioambiental que esto conlleva. Sin embargo, la movilidad eléctrica todavía enfrenta desafíos importantes que limitan su plena expansión. Uno de los desafíos clave de la movilidad eléctrica radica en la autonomía reducida de los vehículos eléctricos en comparación con sus contrapartes de combustión interna. Además, la velocidad más lenta de carga de las baterías y la infraestructura de carga en desarrollo dificultan la gestión y optimización colectiva de las operaciones de carga de vehículos, lo que ralentiza su adopción generalizada. Este proyecto tiene como objetivo abordar esta problemática mediante la aplicación de estrategias tecnológicas modernas y principios de la Internet de las Cosas (IoT). Se propone diseñar un sistema que permita la comunicación máquina a máquina (M2M) a través de IoT entre vehículos y estaciones de carga, introduciendo el concepto de “reserva de carga”. El escenario se ambienta en una empresa de reparto que emplea vehículos eléctricos para atender las solicitudes de entrega de clientes. El objetivo es minimizar el tiempo de inactividad de los vehículos, que no puedan realizar entregas debido a baterías descargadas, coordinando sus actividades con las estaciones de carga. Para lograr esto, se introduce el concepto de “reserva de carga”. Por un lado, las estaciones de carga ofrecen la opción de “reservarse” para un vehículo en particular durante un período definido, excluyendo otros vehículos. Por otro lado, los vehículos, cuando sus niveles de batería caen por debajo de un umbral, solicitan una carga a través de un servicio de gestión. Este servicio busca una estación de carga cercana y disponible, creando una reserva temporal para el vehículo. Una vez que este llega a la estación de carga, se autentica utilizando la plataforma IoT y, si se valida la reserva, el proceso de carga comienza. El diseño de la solución se basará en una serie de enfoques y herramientas: Se aplicará la estrategia de Arquitectura Hexagonal para obtener una estructura flexible y desacoplada que facilite el despliegue como microservicios y su escalabilidad. La simulación del comportamiento de vehículos, cargadores y clientes se logrará mediante microservicios implementados en Spring Boot y Docker, orquestados por contenedores (Docker Swarm o Kubernetes). Esto permitirá un entorno controlado y escalable, con simulaciones realistas a través del ajuste de la cantidad de componentes en cualquier momento. El sistema empleará comunicaciones IoT a través de interfaces REST y MQTT para la interacción entre microservicios y dispositivos IoT. Se evaluará la viabilidad de plataformas IoT como TheThingsBoard o AWS IoT para desplegar dispositivos y facilitar comunicaciones, monitoreo y análisis de datos generados por los dispositivos a lo largo del tiempo.

[CA] En els últims anys, la migració cap a la mobilitat elèctrica i l’adopció creixent de vehicles elèctrics han provocat un profund canvi en la indústria del transport i la logística, juntament amb l’impacte mediambiental desitjat que això comporta. No obstant això, la mobilitat elèctrica encara s’enfronta a reptes importants que limiten la seva plena expansió. Un dels reptes clau de la mobilitat elèctrica rau en l’autonomia reduïda dels vehicles elèctrics en comparació amb els seus homòlegs de combustió interna. A més, la velocitat més lenta de càrrega de les bateries i la infraestructura de càrrega en desenvolupament dificulten la gestió i optimització col·lectiva de les operacions de càrrega de vehicles, la qual cosa retarda la seva adopció generalitzada. Aquest projecte té com a objectiu abordar aquesta problemàtica mitjançant l’aplicació d’estratègies tecnològiques modernes i principis de la Internet de les Coses (IoT). Es proposa dissenyar un sistema que permeti la comunicació màquina a màquina (M2M) a través de l’IoT entre vehicles i estacions de càrrega, introduint el concepte de "reserva de càrrega". L’escenari es desenvolupa en una empresa de repartiment que fa servir vehicles elèctrics per atendre les sol·licituds d’entrega de clients. L’objectiu és minimitzar el temps d’inactivitat dels vehicles, de manera que no puguin fer entregues a causa de les bateries descarregades, coordinant les seves activitats amb les estacions de càrrega. Per aconseguir això, es presenta el concepte de "reserva de càrrega". D’una banda, les estacions de càrrega ofereixen l’opció de "reservarse"per a un vehicle en particular durant un període definit, excloent altres vehicles. D’altra banda, quan els nivells de bateria dels vehicles cauen per sota d’un llindar, aquests sol·liciten una càrrega mitjançant un servei de gestió. Aquest servei busca una estació de càrrega propera i disponible, creant una reserva temporal per al vehicle. Una vegada que el vehicle arriba a l’estació de càrrega, s’autentica mitjançant l’IoT i, si es valida la reserva, comença el procés de càrrega. El disseny de la solució es basarà en una sèrie d’enfocaments i eines: S’aplicarà l’estratègia de l’Arquitectura Hexagonal per obtenir una estructura flexible i desacoblat que faciliti el desplegament com a microserveis i la seva escalabilitat. La simulació del comportament de vehicles, càrregues i clients s’aconseguirà mitjançant microserveis implementats en Spring Boot i Docker, orquestrats per contenidors (Docker Swarm o Kubernetes). Això permetrà un entorn controlat i escalable, amb simulacions realistes mitjançant l’ajust de la quantitat de components en qualsevol moment. El sistema farà servir comunicacions IoT a través d’interfícies REST i MQTT per a la interacció entre microserveis i dispositius IoT. Es valorarà la viabilitat de plataformes IoT com TheThingsBoard o AWS IoT per desplegar dispositius i facilitar comunicacions, monitoratge i anàlisi de dades generades pels dispositius al llarg del temps.

[EN] In recent years, the shift towards electric mobility and the growing adoption of electric vehicles have led to a profound change in the transportation and logistics industry, along with the desired environmental impact that comes with it. However, electric mobility still faces significant challenges that limit its full expansion. One of the key challenges of electric mobility lies in the reduced range of electric vehicles compared to their internal combustion counterparts. Additionally, the slower battery charging speed and the ongoing development of charging infrastructure make collective management and optimization of vehicle charging operations more complex, thus slowing down widespread adoption. This project aims to address this issue through the application of modern technological strategies and principles of the Internet of Things (IoT). The objective is to design a system that enables machine-to-machine (M2M) communication through IoT between vehicles and charging stations, introducing the concept of “charging reservation.” The scenario is set in a delivery company that uses electric vehicles to fulfill customer delivery requests. The goal is to minimize vehicle downtime caused by depleted batteries by coordinating their activities with charging stations. To achieve this, the concept of “charging reservation” is introduced. On one hand, charging stations offer the option to “reserve” themselves for a specific vehicle during a defined period, excluding other vehicles. On the other hand, when vehicle battery levels drop below a threshold, they request charging through a management service. This service searches for a nearby and available charging station, creating a temporary reservation for the vehicle. Once the vehicle arrives at the charging station, it authenticates through IoT, and if the reservation is validated, the charging process begins. The solution’s design will be based on a series of approaches and tools: The Hexagonal Architecture strategy will be applied to achieve a flexible and decoupled structure that facilitates despliegue as microservices and scalability. Simulating the behavior of vehicles, chargers, and clients will be achieved through microservices implemented in Spring Boot and Docker, orchestrated by containers (Docker Swarm or Kubernetes). This allows for a controlled and scalable environment, with realistic simulations by adjusting the number of components at any given time. The system will employ IoT communications through REST and MQTT interfaces for interaction between microservices and IoT devices. The feasibility of IoT platforms like TheThingsBoard or AWS IoT will be evaluated to deploy devices and facilitate communications, monitoring, and analysis of data generated by devices over time