Ciencia y Educación
(L-ISSN: 2790-8402 E-ISSN: 2707-3378)
Vol. 6 No. 12
Diciembre del 2025
Página 239
VOLUT: SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Y CONTROL ENERGÉTICO AUTOMATIZADO
BASADO EN POE++
VOLUT: AUTOMATED ENERGY DISTRIBUTION AND CONTROL SYSTEM BASED ON
POE++
Autores: ¹Noé Toledo González.
¹ORCID ID:
https://orcid.org/0000-0003-0034-8376
¹E-mail de contacto: noe.toledo@utmatamoros.edu.mx
Afiliación:¹*Universidad Tecnológica de Matamoros, (Mexico).
Artículo recibido: 1 de Diciembre del 2025
Articulo revisado: 17 de Diciembre del 2025
Articulo aprobado: 27 de Diciembre del 2025
¹Ingeniero en Sistemas Computacionales, egresado del Instituto Tecnológico de Matamoros, (México). Maestro en Docencia, egresado
de la Universidad Autónoma de Tamaulipas, (México). Doctor en Proyectos, egresado de UNICEPES – Universidad Centro Panamericano
de Estudios Superiores, (México), generación 2025.
Resumen
El presente trabajo introduce Volut, un sistema
de distribución y control energético
automatizado que aprovecha la tecnología
Power over Ethernet de última generación
(PoE++) para integrar transmisión de datos y
energía en una misma infraestructura de red. La
propuesta busca responder a los retos de
eficiencia energética y automatización en
entornos inteligentes, mediante el uso de
cableado estructurado RJ-45 y
microcontroladores embebidos que permiten la
supervisión, gestión y control de cargas de bajo
voltaje. Se describe la arquitectura del sistema,
que incluye modelado 3D, análisis térmico,
diseño estructural y esquema eléctrico, así
como un modelo matemático para evaluar el
rendimiento energético. Los resultados
preliminares muestran que Volut puede reducir
costos de implementación, mejorar la
escalabilidad de los sistemas eléctricos y
habilitar aplicaciones en automatización
industrial, domótica y gestión de
infraestructuras. Este trabajo aporta una
alternativa innovadora para la transición hacia
entornos sostenibles y altamente
automatizados, apoyada en estándares
internacionales de telecomunicaciones y
eficiencia energética.
Palabras clave: Automatización, Desarrollo
sostenible, Equipamiento electrónico,
Ingeniería eléctrica, Tecnología.
Abstract
This work presents Volut, an automated energy
distribution and control system that leverages
next-generation Power over Ethernet (PoE++)
technology to integrate power and data
transmission within a single network
infrastructure. The proposal addresses energy
efficiency and automation challenges in smart
environments by using RJ45 structured cabling
and embedded microcontrollers that enable
monitoring, management, and control of low-
voltage loads. The system architecture is
described, including 3D modeling, thermal
analysis, structural design, and electrical
schematics, as well as a mathematical model
for energy performance evaluation.
Preliminary results indicate that Volut can
reduce implementation costs, enhance the
scalability of electrical systems, and enable
applications in industrial automation, smart
buildings, and infrastructure management. This
work provides an innovative alternative for the
transition towards sustainable and highly
automated environments, supported by
international standards in telecommunications
and energy efficiency.
Keywords: Automation, Sustainable
development, Electronic equipment,
Electrical engineering, Technology.
Sumário
Este artigo apresenta o Volut, um sistema
automatizado de distribuição e controle de
energia que utiliza a tecnologia de ponta Power
over Ethernet (PoE++) para integrar dados e
transmissão de energia em uma única
infraestrutura de rede. A proposta aborda os
desafios de eficiência energética e automação
em ambientes inteligentes, utilizando
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cabeamento estruturado RJ-45 e
microcontroladores embarcados que permitem
o monitoramento, o gerenciamento e o controle
de cargas de baixa tensão. A arquitetura do
sistema é descrita, incluindo modelagem 3D,
análise térmica, projeto estrutural e esquemas
elétricos, bem como um modelo matemático
para avaliar o desempenho energético.
Resultados preliminares mostram que o Volut
pode reduzir os custos de implementação,
melhorar a escalabilidade de sistemas elétricos
e permitir aplicações em automação industrial,
automação residencial e gerenciamento de
infraestrutura. Este trabalho oferece uma
alternativa inovadora para a transição para
ambientes sustentáveis e altamente
automatizados, respaldados por padrões
internacionais de telecomunicações e eficiência
energética.
Palavras-chave: Automação,
Desenvolvimento sustentável, Equipamentos
eletrônicos, Engenharia elétrica, Tecnologia.
Introducción
En la actualidad, la transición hacia sistemas
energéticos más eficientes y sostenibles
representa uno de los principales desafíos de la
ingeniería y la innovación tecnológica. La
creciente demanda de energía, junto con la
necesidad de reducir emisiones y optimizar
recursos (Sandoval-Ruiz, 2020), ha motivado la
integración de infraestructuras inteligentes
capaces de combinar comunicación, control y
suministro eléctrico en un mismo ecosistema.
Este escenario es particularmente relevante en
entornos urbanos e industriales, donde el
consumo energético se incrementa de manera
exponencial debido a la proliferación de
dispositivos conectados y la digitalización de
procesos (International, 2023). La
automatización energética ha surgido como una
estrategia fundamental para enfrentar estas
problemáticas, al permitir la supervisión y el
control en tiempo real de la distribución
eléctrica (García, 2020), así como la capacidad
de respuesta dinámica ante variaciones en la
demanda. Dichos sistemas no solo favorecen la
eficiencia en el uso de los recursos, sino que
también incrementan la resiliencia de las redes
y contribuyen a la reducción de costos
operativos (Solis, 2025). Sin embargo, la
implementación de soluciones de
automatización suele requerir infraestructuras
costosas y complejas, lo que limita su adopción
masiva, especialmente en países en vías de
desarrollo.
En este contexto, la tecnología Power over
Ethernet (PoE) ha ganado relevancia como una
alternativa versátil que combina la transmisión
de datos y energía en un único cableado
estructurado RJ45 (Bautista-Vivanco, 2024).
Desde su estandarización inicial del protocolo
IEEE 802.3af en el año 2003, se ha permitido
alimentar dispositivos de bajo consumo como
teléfonos IP y puntos de acceso inalámbricos.
Posteriormente en año 2009 aparece el estándar
IEEE 802.3at, también conocido como PoE+,
amplió la capacidad hasta 30 W, lo que abrió
nuevas aplicaciones en cámaras de seguridad y
sistemas de videoconferencia (Macias, 2009).
La evolución más reciente, el estándar IEEE
802.3bt o PoE++ en el año 2018, ofrece
potencias de hasta 90–100 W por puerto,
utilizando los cuatro pares de un cable Ethernet
categoría 5e o superior, habilitando así la
alimentación de luminarias LED, sistemas de
climatización, paneles interactivos y
dispositivos de automatización industrial
(White, 2006). El avance hacia PoE++ no solo
representa un incremento en la capacidad de
potencia, sino también una oportunidad para
integrar redes de comunicación y energía dentro
de arquitecturas más inteligentes y flexibles
(Wang, 2024). De hecho, se ha identificado que
las redes basadas en PoE++ permiten reducir
significativamente el consumo energético
global de una instalación, al disminuir la
necesidad de cableado eléctrico independiente,
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optimizar la distribución de cargas y facilitar la
implementación de sistemas centralizados de
control (Li, 2020). Este enfoque resulta
coherente con las tendencias internacionales en
materia de sostenibilidad y eficiencia, al
alinearse con los Objetivos de Desarrollo
Sostenible (ODS) propuestos por la
Organización de las Naciones Unidas,
particularmente el ODS 7 (energía asequible y
no contaminante) y el ODS 9 (industria,
innovación e infraestructura) (García, 2022).
Pese a estas ventajas, la adopción de PoE++ aún
enfrenta retos en cuanto a la integración de
mecanismos de automatización avanzada y
gestión inteligente de cargas. La mayoría de las
implementaciones actuales se limitan a la
alimentación de dispositivos pasivos o
semiinteligentes, sin aprovechar plenamente el
potencial de los sistemas embebidos de control,
el modelado energético en tiempo real y la
escalabilidad hacia entornos de mayor densidad
tecnológica (Martin, 2023). Esta brecha
tecnológica abre la posibilidad de innovar en
modelos híbridos que combinen PoE++ con
arquitecturas de automatización adaptativa. En
respuesta a estas necesidades, se propone Volut,
un sistema de distribución y control energético
automatizado basado en PoE++. Este prototipo
integra un microcontrolador con capacidades de
red, un módulo de gestión de cargas de bajo
voltaje, y un software de monitoreo que permite
la supervisión en tiempo real de parámetros
eléctricos clave. Además, su desarrollo incluye
modelado tridimensional de la estructura,
análisis térmico para garantizar la estabilidad
del sistema bajo cargas máximas, diseño de
disipadores de calor y un modelo matemático
para la evaluación del rendimiento energético.
De esta manera, Volut constituye una solución
integral que combina innovación tecnológica
con fundamentos de sostenibilidad y eficiencia.
El diseño de Volut responde a dos propósitos
principales. Primero, demostrar la viabilidad
técnica de distribuir energía mediante PoE++ en
sistemas más allá de los dispositivos
tradicionales, ampliando el espectro de
aplicaciones a sectores como la automatización
industrial, la domótica, los centros de datos y
los espacios inteligentes. Segundo, validar que
la incorporación de mecanismos embebidos de
control y monitoreo aporta un valor agregado en
términos de seguridad, eficiencia operativa y
capacidad de adaptación. Estas características
hacen de Volut un aporte innovador en el campo
de la gestión energética automatizada.
Investigaciones recientes han resaltado la
necesidad de nuevas estrategias de control
energético basadas en tecnologías de red,
particularmente en lo referente al Internet de las
Cosas (IoT) y a la convergencia de sistemas
ciberfísicos (CPS) (Souza, 2024). Dichos
enfoques requieren arquitecturas que integren
comunicación, computación y energía bajo un
mismo marco operativo, lo cual puede lograrse
de manera efectiva mediante la infraestructura
PoE++ (Guan, 2023) . Volut se inserta en esta
tendencia al posicionarse como un puente entre
la infraestructura de telecomunicaciones y la
automatización eléctrica, con el potencial de
escalar hacia aplicaciones de ciudades
inteligentes y sistemas industriales de próxima
generación.
La introducción de Volut busca responder a la
demanda de soluciones energéticas
automatizadas que sean a la vez eficientes,
escalables y sostenibles. El presente artículo
expone el diseño conceptual y experimental del
sistema, así como los resultados preliminares
obtenidos en pruebas de rendimiento energético
y estabilidad operativa. Se espera que esta
propuesta contribuya a la discusión sobre el
papel de PoE++ en la automatización avanzada
y abra nuevas líneas de investigación y
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desarrollo orientadas a la consolidación de
infraestructuras más inteligentes y resilientes.
El concepto de Power over Ethernet (PoE)
surgió a principios de la década del 2000 como
una alternativa para simplificar las instalaciones
eléctricas en redes de telecomunicaciones. El
estándar IEEE 802.3af, definió la posibilidad de
transmitir hasta 15,4 W de potencia a través de
un mismo cable Ethernet que transportaba
datos, habilitando aplicaciones como teléfonos
IP y puntos de acceso inalámbricos (Liu, 2021).
Posteriormente, el estándar IEEE 802.3at,
conocido como PoE+, aumentó la capacidad a
30 W, expandiendo su uso hacia cámaras de
seguridad de mayor resolución y sistemas de
videoconferencia (Hafsi, 2021)
La evolución más significativa llegó con el
estándar IEEE 802.3bt en el año del 2018,
también llamado PoE++, que utiliza los cuatro
pares de cobre de un cable Ethernet para
alcanzar potencias de 60 W en modo tipo 3 y
hasta 90–100 W en modo tipo (Singh, 2021).
Esto abrió la puerta a aplicaciones más allá de
la conectividad de red tradicional, incluyendo
luminarias LED, pantallas interactivas, sistemas
de climatización y estaciones de carga de bajo
consumo. Estudios recientes señalan que
PoE++ representa un cambio de paradigma en
la convergencia entre redes de comunicación y
redes eléctricas, al permitir que una misma
infraestructura soporte servicios integrados de
datos y energía (Liu, 2021). En este sentido,
PoE++ ha sido catalogado como una tecnología
facilitadora de la transición hacia edificios
inteligentes y redes de automatización
industrial, donde la eficiencia energética y la
reducción de cableado redundante son
prioridades. La automatización energética
constituye una de las áreas más dinámicas
dentro de la ingeniería de control y la eficiencia
eléctrica. Consiste en el uso de tecnologías de
sensado, comunicación y control para gestionar
en tiempo real la distribución de energía,
anticipar variaciones de demanda y optimizar el
consumo global (Cano, 2020).
Los sistemas de automatización se han
vinculado de manera directa con el desarrollo de
las redes eléctricas inteligentes (smart grids), las
cuales integran elementos de generación
distribuida, almacenamiento energético y
monitoreo avanzado (Moreno Escobar, 2021).
Dentro de este contexto, PoE++ se ha
identificado como un medio adecuado para
implementar microrredes de baja potencia,
capaces de alimentar dispositivos de control,
sensores y actuadores en entornos industriales y
urbanos (Monopoli, 2020). Además, la
automatización energética es un componente
esencial para alcanzar los Objetivos de
Desarrollo Sostenible (ODS), particularmente
el ODS 7 (energía asequible y no contaminante)
y el ODS 9 (industria, innovación e
infraestructura). Reportes de la International
Energy Agency (IEA, 2021), destacan que la
eficiencia energética mediante automatización
puede reducir hasta un 20 % del consumo global
en sectores intensivos en electricidad, como
manufactura y telecomunicaciones.
No obstante, la implementación de
automatización energética enfrenta
limitaciones: altos costos iniciales, falta de
estandarización entre dispositivos y necesidad
de personal especializado (Bastidas, 2024).
Estos retos han impulsado la búsqueda de
soluciones híbridas que integren estándares
abiertos, bajo costo de implementación y
escalabilidad, condiciones que PoE++ cumple
de manera natural. La incorporación de sistemas
embebidos en la gestión energética ha permitido
ampliar las capacidades de control y monitoreo
en infraestructuras de baja y media tensión. Los
microcontroladores y plataformas como
Arduino, ESP32 o Raspberry Pi se utilizan
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ampliamente para la supervisión de consumos
eléctricos, integración con plataformas IoT y
desarrollo de algoritmos de control predictivo
(Sánchez, 2025). Estos dispositivos embebidos
permiten implementar arquitecturas de control
distribuido, donde cada nodo de la red puede
recopilar información, tomar decisiones locales
y comunicarse con un servidor central. En el
caso de PoE++, los sistemas embebidos no solo
pueden operar como consumidores de energía,
sino también como controladores de cargas,
gestionando la distribución hacia dispositivos
secundarios (Guzmán, 2024).
Asimismo, la investigación en eficiencia
energética con microcontroladores se ha
enfocado en tres ejes: primero la optimización
del hardware para reducir pérdidas por
conversión, segundo el desarrollo de algoritmos
de bajo consumo y tercero, la comunicación
eficiente mediante protocolos como MQTT o
CoAP (Villacís, 2023). Estos avances han
facilitado la integración de PoE++ con
arquitecturas de IoT y CPS (sistemas
ciberfísicos), aportando mayor flexibilidad a las
redes de automatización. La implementación de
PoE++ se ha expandido en aplicaciones que van
desde la domótica hasta la automatización
industrial. En edificios inteligentes, se emplea
para alimentar luminarias LED regulables,
cámaras de seguridad con inteligencia artificial
y sistemas de climatización basados en sensores
distribuidos (Hafsi, 2021). En entornos
industriales, PoE++ se utiliza para habilitar
redes de sensores robustas y confiables,
evitando la necesidad de instalaciones eléctricas
paralelas (Singh, 2021). Un área emergente es
la integración de PoE++ en sistemas de gestión
de energía basados en IoT, donde se combinan
dispositivos de sensado, control embebido y
plataformas de análisis en la nube para generar
reportes en tiempo real sobre consumo y
eficiencia (Guan, 2023). Estas arquitecturas son
compatibles con estrategias de mantenimiento
predictivo, lo que incrementa la confiabilidad
de las instalaciones (Hafsi, 2021). Otro campo
en crecimiento es el uso de PoE++ en
infraestructuras críticas, como hospitales y
centros de datos. La posibilidad de contar con
sistemas centralizados de energía y datos reduce
la vulnerabilidad ante fallas y mejora la
resiliencia (Liu, 2021). Estas aplicaciones
subrayan el potencial de PoE++ como
tecnología habilitadora para la automatización
avanzada.
Materiales y Métodos
El desarrollo de Volut se abordó como una
investigación aplicada, experimental y de
diseño tecnológico, en la cual se concibió,
modeló y validó un prototipo de distribución y
control energético automatizado basado en el
estándar PoE++ (IEEE 802.3bt). El enfoque
metodológico se sustentó en el ciclo de diseño
tecnológico: análisis de requerimientos, diseño
conceptual, modelado, implementación del
prototipo y evaluación experimental.
➢ Microcontrolador: Arduino UNO R3 con
shield Ethernet W5100, encargado de
gestionar la comunicación y el control de
cargas.
➢ Módulo PoE++: inyectores y switches
compatibles con IEEE 802.3bt tipo 3 y tipo
4 (hasta 90 W por puerto).
➢ Cableado estructurado: RJ-45 categoría 6
para transmisión de energía y datos.
➢ Sensores de corriente y voltaje: ACS712 y
módulos INA219, empleados para el
monitoreo de cargas en tiempo real.
➢ Disipadores térmicos y ventilación forzada,
modelados para validar la disipación de
calor bajo condiciones de carga máxima.
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➢ Dispositivos de prueba: luminarias LED,
ventiladores de 12 V DC y sensores IoT de
bajo voltaje.
En relación a software:
➢ Entorno de programación: Arduino IDE
➢ Servidor de monitoreo: interfaz en PHP y
MySQL para el registro de datos.
➢ Herramientas de modelado 3D:
SolidWorks para diseño estructural y
modelado de disipadores.
➢ Análisis térmico: simulaciones con
SolidWorks Flow Simulation.
➢ Procesamiento estadístico: IBM SPSS
Statistics versión 25 para análisis de datos
experimentales.
El sistema Volut se diseñó bajo una arquitectura
embebida orientada a la gestión centralizada y
automatizada de energía de bajo voltaje. En esta
configuración, el microcontrolador funciona
como nodo maestro de control, encargado de
recibir energía bajo el estándar PoE++ (IEEE
802.3bt) a través de un conector RJ-45 y
redistribuirla hacia las cargas conectadas. La
elección de una arquitectura embebida responde
a la necesidad de integrar en un mismo módulo
la supervisión eléctrica, el procesamiento de
datos y la comunicación en red, lo que favorece
la escalabilidad y la confiabilidad del sistema.
Cada puerto de salida de Volut está equipado
con sensores de corriente y voltaje (ACS712,
INA219) que permiten el monitoreo en tiempo
real del consumo energético. Estos sensores
alimentan al microcontrolador con datos que
son procesados mediante algoritmos de control
programados en C/C++. De este modo, se
pueden establecer umbrales de protección
contra sobrecorrientes, caídas de voltaje y
condiciones anómalas de carga, mejorando la
resiliencia del sistema frente a fallas. La
arquitectura incluye además un módulo de
comunicación Ethernet, que posibilita la
conexión del prototipo con una red de
supervisión basada en protocolos TCP/IP. Esto
permite que los datos de consumo y estado
operativo se transmitan hacia un servidor de
monitoreo desarrollado en PHP/MySQL, donde
pueden visualizarse métricas históricas y
generar alarmas en caso de anomalías. Este
enfoque es coherente con las tendencias de
integración IoT en sistemas energéticos, donde
la conectividad y la capacidad de análisis
remoto constituyen un valor agregado esencial
(Parker, 2025).
Otro elemento clave del diseño es la topología
de redistribución energética. Mientras que en
implementaciones PoE tradicionales los
dispositivos actúan únicamente como
consumidores de energía, Volut introduce un
esquema intermedio de control embebido,
capaz de medir, decidir y actuar sobre la carga
conectada. Esto significa que, además de
distribuir energía, el sistema puede ejecutar
rutinas de desconexión selectiva, balanceo de
cargas y priorización de dispositivos críticos,
funciones particularmente relevantes en
entornos industriales o de infraestructura crítica
(Martínez, 2025). Finalmente, el diseño
contempla la compatibilidad con futuras
ampliaciones. La arquitectura embebida fue
pensada de manera modular, lo que facilita
incorporar más puertos de salida, integrar
microcontroladores de mayor capacidad de
cómputo (como ESP32 o Raspberry Pi) o añadir
módulos inalámbricos para redundancia. De
esta manera, Volut no solo constituye un
prototipo experimental, sino también una
plataforma adaptable que puede evolucionar
hacia versiones comerciales y de mayor
densidad tecnológica. Para el diseño del
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prototipo Volut, se elaboró un modelo
tridimensional del gabinete y los disipadores
utilizando el software SolidWorks 2023,
herramienta ampliamente empleada en
ingeniería para el modelado paramétrico de
componentes electrónicos y mecánicos. El uso
de este tipo de modelado permitió visualizar la
disposición interna de los módulos eléctricos,
garantizando una distribución eficiente del
espacio y un adecuado manejo del flujo de aire.
El gabinete fue diseñado con criterios de
ergonomía, modularidad y disipación térmica.
Se adoptaron dimensiones compactas que
facilitan su integración en entornos de domótica
o automatización industrial, sin comprometer el
acceso a los puertos RJ-45 ni a los elementos de
control embebido. Asimismo, el diseño
contempló la posibilidad de ampliación futura
mediante la incorporación de módulos
adicionales, lo que refuerza la escalabilidad de
Volut. Un aspecto central del modelado fue la
optimización del flujo de aire interno. Se
simularon diferentes configuraciones de
ventilación natural y forzada, con el fin de
evaluar la disipación térmica en condiciones de
operación prolongada. Los resultados
preliminares evidenciaron que la disposición de
los disipadores de aluminio, junto con la
incorporación de rejillas de ventilación,
mejoraban el rendimiento térmico al reducir la
acumulación de calor en los puntos de mayor
densidad de corriente. Este enfoque coincide
con estudios previos que destacan la relevancia
del diseño térmico en equipos de alta densidad
eléctrica. Además de la disipación térmica, el
modelado tridimensional permitió realizar
pruebas de resistencia estructural mediante
análisis por elementos finitos (FEA, Finite
Element Analysis). Se evaluaron tensiones
mecánicas y posibles deformaciones del
gabinete frente a vibraciones, cargas estáticas y
manipulación repetitiva, simulando condiciones
reales de uso en ambientes industriales. Estas
pruebas garantizaron la estabilidad estructural
del prototipo, reduciendo el riesgo de fallas por
fatiga de materiales.
Figura 1. Diseño técnico de un prototipo para la
Volut
El modelado 3D también aportó ventajas en
términos de diseño para manufactura (DfM), ya
que permitió generar planos y vistas explotadas
que facilitan la producción del gabinete
mediante impresión 3D o fresado CNC. Esto
convierte a Volut en un prototipo no solo
funcional, sino también reproducible en
entornos académicos y comerciales,
fortaleciendo su potencial de transferencia
tecnológica. En conjunto, el modelado 3D
constituyó una fase crítica en el diseño del
sistema, al integrar consideraciones eléctricas,
térmicas y mecánicas en una plataforma única.
Gracias a esta metodología, se logró garantizar
la estabilidad, seguridad y escalabilidad del
prototipo antes de su implementación física,
optimizando recursos y reduciendo los tiempos
de prueba en laboratorio.
Figura 2. Diseño 3D renderizado del prototipo de
la Volut
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El análisis térmico del prototipo Volut, una fase
crítica en el desarrollo de dispositivos de
distribución energética de alta densidad fue
meticulosamente evaluado mediante
simulaciones numéricas en el software
SolidWorks Flow Simulation. Estas
simulaciones se llevaron a cabo bajo escenarios
de operación rigurosos, considerando cargas
máximas de hasta 80 W por puerto, conforme a
las exigentes especificaciones del estándar
IEEE 802.3bt. Comprender el comportamiento
térmico es vital, ya que un sobrecalentamiento
descontrolado puede desencadenar una cascada
de fallos: la degradación acelerada de los
componentes electrónicos, una reducción
tangible en la eficiencia del sistema y, lo más
preocupante, la aparición de riesgos de
seguridad (Castillo, 2025). Por ello, estas
simulaciones no solo sirvieron como una
herramienta de validación, sino como un pilar
fundamental para garantizar la fiabilidad y
longevidad del dispositivo en su entorno
operativo. (Ramos, 2019). Se simularon tres
escenarios principales:
➢ Ventilación natural sin disipadores, donde
se observó una acumulación de calor que
llevó a temperaturas superiores a 70 °C,
superando los límites de seguridad
recomendados.
➢ Ventilación natural con disipadores pasivos
de aluminio, lo que redujo la temperatura
máxima a un promedio de 64 °C, aún por
encima del umbral de seguridad.
➢ Ventilación forzada con disipadores de
aluminio y flujo de aire asistido por
ventiladores, condición en la que el sistema
mantuvo temperaturas promedio de 52–54
°C y máximas de 58 °C, dentro del rango
aceptable definido por la IEEE (≤60 °C en
operación continua).
Figura 3. Diseño 3D renderizado del prototipo
de la Volut
Estos resultados confirmaron la necesidad de
implementar disipadores de aluminio con
ventilación activa como parte integral del
diseño. Asimismo, las simulaciones permitieron
identificar los puntos críticos de calor,
principalmente en las áreas cercanas a los
módulos de conversión de energía y al
microcontrolador, lo que orientó el diseño final
del gabinete. Además del análisis de
temperatura estática, se evaluaron las
condiciones de operación bajo ciclos de carga
prolongados (8 horas continuas). Los resultados
evidenciaron que la eficiencia térmica se
mantiene estable en la medida en que el flujo de
aire es uniforme y constante, lo cual coincide
con estudios recientes sobre gestión térmica en
sistemas PoE++ de alta densidad (Domínguez,
2011). El análisis térmico no solo garantizó la
seguridad operativa, sino que también
contribuyó al diseño predictivo del sistema. Al
integrar simulaciones previas a la fase
experimental, fue posible reducir costos de
iteración y prevenir fallos derivados de un
dimensionamiento inadecuado de los
disipadores o de la ventilación. Este enfoque de
validación virtual previa es ampliamente
recomendado en el desarrollo de prototipos de
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electrónica de potencia (Guerrero, 2016). El
análisis térmico de Volut confirmó que la
ventilación activa combinada con disipadores
metálicos es indispensable para asegurar la
estabilidad y prolongar la vida útil del sistema.
Esta estrategia, además de estar respaldada por
normas internacionales, se alinea con las
mejores prácticas de diseño de sistemas
embebidos de automatización energética. El
diseño eléctrico se estructuró en tres módulos:
➢ Módulo de entrada PoE++: encargado de
recibir energía y datos del switch
inyectado.
➢ Módulo de control embebido: gestionado
por Arduino UNO + shield Ethernet,
encargado de supervisión y comunicación.
➢ Módulo de salida: redistribución hacia
dispositivos de carga con protección contra
sobrecorriente y monitoreo individual.
Modelo matemático de evaluación energética
El consumo energético se evaluó mediante la
fórmula: E = P * t (1) donde E es la energía
consumida (Wh), P es la potencia de carga
medida en cada puerto (W), y t es el tiempo de
operación (h). Se calcularon las eficiencias de
conversión y las pérdidas térmicas de acuerdo
con: N = Pout /Pin" * 100 (2). Los resultados
fueron comparados con mediciones
experimentales para validar el modelo.
Procedimiento experimental:
➢ Montaje del prototipo: ensamblaje del
sistema Volut con sus tres módulos
principales.
➢ Pruebas de carga: conexión de dispositivos
de 10–80 W y medición de voltaje,
corriente y potencia.
➢ Registro de datos: recolección de
información en la base de datos MySQL
con intervalos de 1 s.
➢ Evaluación térmica: monitoreo de
temperatura interna con sensores DHT22 y
simulación en SolidWorks.
➢ Análisis de datos: comparación entre el
modelo matemático y los resultados
experimentales; aplicación de pruebas
ANOVA para determinar significancia en
la eficiencia con distintas cargas.
En relación a la validación experimental:
➢ La validación se llevó a cabo en un
escenario controlado, con mediciones
repetidas durante ciclos de 8 horas de
operación continua. Se evaluaron tres
variables principales:
➢ Eficiencia energética (%).
➢ Estabilidad térmica (°C).
➢ Confiabilidad del sistema (horas de
operación sin falla).
Resultados y Discusión
Eficiencia energética
Las pruebas de rendimiento realizadas con
cargas entre 10 W y 80 W mostraron una
eficiencia promedio del 87,3 %, con valores
máximos de 91,2 % en cargas de 30 W y
mínimos de 83,5 % en cargas cercanas al límite
de 80 W.
Estabilidad térmica
Durante pruebas de operación continua (8
horas), el sistema alcanzó temperaturas internas
promedio de 52 °C, con picos máximos de 58
°C bajo cargas cercanas a 80 W. Estos valores
se mantuvieron dentro de los límites de
seguridad establecidos por la IEEE (≤60 °C en
condiciones de operación continua). El análisis
térmico en SolidWorks validó que los
disipadores de aluminio y la ventilación activa
eran indispensables para garantizar la
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estabilidad. Sin ventilación, el prototipo
alcanzaba temperaturas superiores a 70 °C,
comprometiendo su operación.
Confiabilidad operativa
El prototipo operó durante 120 horas
acumuladas sin fallos en la distribución de
energía ni interrupciones en el sistema
embebido de control. Se registraron menos del
0,5 % de pérdidas de paquetes en la
comunicación Ethernet, lo cual demuestra que
la integración de PoE++ con transmisión de
datos no afecta de manera significativa la
calidad del servicio de red, tal como también
señalan Singh, (2021).
Discusión comparativa
Los resultados obtenidos permiten destacar tres
aspectos clave:
➢ Eficiencia superior al 85 % en la mayoría
de los escenarios: Esto coloca a Volut
dentro de los márgenes de sistemas PoE++
de alta calidad reportados en la literatura
(Hafsi, 2021).
➢ Estabilidad térmica asegurada mediante
diseño estructural: El modelado 3D y el
análisis de flujo térmico resultaron
decisivos. Este aspecto es poco
documentado en investigaciones previas, lo
que representa una de las contribuciones
originales del presente trabajo.
➢ Escalabilidad y confiabilidad: La baja
pérdida de paquetes en la comunicación y
la operación continua del prototipo
demuestran que Volut es viable para
integrarse en entornos de automatización
industrial y domótica, donde se requiere
estabilidad prolongada.
Además, los resultados validan la pertinencia de
combinar modelado matemático, diseño
estructural y análisis térmico en la creación de
prototipos basados en PoE++. Esto responde a
vacíos identificados en el estado del arte, donde
la mayoría de propuestas se enfocan únicamente
en la eficiencia eléctrica sin considerar aspectos
multidimensionales de la implementación (Liu,
2021).
Relevancia del aporte
Figura 4 Prototipo terminado, así como su
software de control
La integración de sistemas embebidos de
control con PoE++ amplía el espectro de
aplicaciones hacia escenarios donde se requiere.
Volut no solo actúa como distribuidor de
energía, sino también como plataforma de
automatización energética, lo que lo convierte
en una herramienta aplicable en edificios
inteligentes, fábricas conectadas y sistemas de
infraestructura crítica. Los resultados
experimentales obtenidos con el prototipo Volut
confirman que la integración de PoE++ con
sistemas embebidos de control constituye una
estrategia viable para la automatización
energética en entornos inteligentes. La
eficiencia promedio superior al 85 % y la
estabilidad térmica dentro de los rangos de
seguridad establecidos por la IEEE demuestran
que el sistema puede operar de manera
confiable bajo cargas de hasta 80 W. Estos
hallazgos refuerzan la pertinencia del enfoque
adoptado, en línea con trabajos recientes que
destacan la importancia de PoE++ como
tecnología habilitadora en la convergencia entre
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redes de comunicación y distribución energética
(Li, 2020).
Un primer aspecto para discutir es el impacto de
la eficiencia energética obtenida. Aunque los
valores registrados (83,5–91,2 %) se encuentran
dentro de los rangos esperados para sistemas de
conversión PoE++, es importante destacar que
la eficiencia tiende a disminuir en cargas
cercanas al límite máximo. Este
comportamiento es consistente con lo reportado
en la literatura sobre pérdidas por conversión y
disipación de calor en dispositivos PoE++ de
alta densidad (Guan, 2023). La incorporación
de disipadores de aluminio y ventilación activa
permitió mitigar este efecto, lo que resalta la
importancia de considerar el diseño térmico
como parte integral de cualquier propuesta de
automatización energética basada en PoE++.
En relación con la estabilidad térmica, los
resultados confirman que la temperatura
máxima registrada (58 °C) se mantuvo por
debajo del límite de seguridad de 60 °C. Este
aspecto adquiere relevancia al considerar
aplicaciones en infraestructuras críticas, donde
la operación continua es esencial y cualquier
sobrecalentamiento podría comprometer tanto
la seguridad de los equipos como la continuidad
del servicio (Villacís Morán, 2023). La
discusión de estos hallazgos sugiere que futuros
desarrollos de Volut podrían beneficiarse de la
integración de materiales avanzados de
disipación o incluso de tecnologías de
refrigeración líquida en escenarios de alta
densidad. Otro punto de análisis corresponde a
la confiabilidad operativa. La baja pérdida de
paquetes (<0,5 %) en la transmisión de datos
valida que la coexistencia de energía y
comunicación en el mismo canal no
compromete la calidad del servicio, aspecto que
ha sido identificado como una de las principales
preocupaciones en la implementación de
PoE++ (Cano, 2020). En este sentido, Volut no
solo garantiza la estabilidad eléctrica, sino que
también preserva la integridad de las
comunicaciones, lo cual lo posiciona como una
solución adecuada para sistemas de IoT y redes
de automatización industrial.
Al comparar estos resultados con propuestas
previas, se observa que gran parte de los
desarrollos basados en PoE++ se han limitado a
la alimentación de dispositivos individuales,
como luminarias o cámaras de seguridad
(Singh, 2021). En contraste, Volut introduce un
enfoque integral al combinar modelo
matemático, control embebido y validación
experimental dentro de un solo prototipo. Esta
multidimensionalidad constituye un aporte
significativo al estado del arte, pues aborda no
solo el rendimiento eléctrico, sino también las
variables térmicas, estructurales y de
confiabilidad, que suelen quedar fuera de la
literatura tradicional. No obstante, es
importante reconocer ciertas limitaciones del
presente estudio. En primer lugar, las pruebas se
realizaron en un entorno controlado, lo cual
implica que factores externos como
fluctuaciones en la red eléctrica, variaciones
ambientales extremas o interferencias
electromagnéticas no fueron evaluados. En
segundo lugar, la validación se concentró en un
número reducido de cargas (hasta 80 W por
puerto), lo cual restringe la generalización de
los resultados a sistemas de mayor densidad.
Finalmente, el uso de microcontroladores de
gama básica, como Arduino UNO, limita la
capacidad de procesamiento para algoritmos de
control predictivo más avanzados.
Estas limitaciones abren oportunidades para la
investigación futura. La integración de
plataformas de mayor potencia de cómputo,
como Raspberry Pi o ESP32, permitiría
incorporar algoritmos de inteligencia artificial
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ligera para predicción de consumos y gestión
dinámica de cargas. Asimismo, la validación en
entornos reales como edificios inteligentes,
plantas de manufactura o centros de datos
permitiría comprobar la escalabilidad y
robustez del sistema en condiciones de
operación más exigentes. En términos de
implicaciones prácticas, Volut puede contribuir
de manera significativa a la reducción de costos
de infraestructura en proyectos de
automatización, al eliminar la necesidad de
cableado eléctrico independiente. Además, su
diseño modular y su compatibilidad con
estándares internacionales lo convierten en una
alternativa escalable y replicable en distintos
sectores. Desde una perspectiva teórica, este
trabajo aporta una metodología para el diseño y
validación de prototipos basados en PoE++, que
integra dimensiones eléctricas, térmicas y
estructurales en un mismo marco de análisis. La
discusión de los resultados confirma que Volut
representa un avance sustantivo en el uso de
PoE++ para la automatización energética. Su
aporte no se limita a la demostración
experimental de viabilidad, sino que introduce
un marco metodológico integral que puede
orientar futuras investigaciones y desarrollos
tecnológicos en este campo.
Conclusiones
El desarrollo del sistema Volut permitió
demostrar la viabilidad de integrar la tecnología
PoE++ (IEEE 802.3bt) con sistemas embebidos
de control para la automatización y gestión
energética en entornos inteligentes. A partir del
diseño conceptual, el modelado estructural, el
análisis térmico y la validación experimental, se
alcanzaron los siguientes resultados principales:
Eficiencia energética superior al 85 % en la
mayoría de escenarios de carga, con valores
máximos de hasta 91,2 %. Estos resultados se
encuentran dentro de los rangos reportados por
investigaciones recientes, confirmando que
PoE++ es una tecnología confiable para la
distribución eléctrica de bajo voltaje.
Estabilidad térmica garantizada mediante
disipadores de aluminio y ventilación activa,
con temperaturas promedio de 52 °C en
operación continua. Este aspecto es crucial para
la seguridad del sistema y constituye una
contribución original del presente trabajo, al
combinar diseño estructural y análisis de flujo
térmico. Confiabilidad operativa validada en
más de 120 horas acumuladas, sin fallos en la
distribución de energía ni interrupciones en la
comunicación Ethernet. Esto confirma la
factibilidad de emplear Volut en entornos de
automatización industrial, domótica e
infraestructuras críticas.
Aporte metodológico, al integrar un modelo
matemático de eficiencia, un prototipo
embebido de control y un proceso de validación
experimental que trasciende el enfoque
tradicional de PoE++ limitado a la transmisión
de energía. En términos de contribuciones al
estado del arte, Volut se posiciona como una
propuesta innovadora al abordar
simultáneamente los desafíos eléctricos,
térmicos y de control embebido en sistemas
PoE++. Mientras que la literatura previa se
concentra mayormente en la eficiencia de
conversión y la compatibilidad de dispositivos,
este trabajo aporta un enfoque multidimensional
que puede servir como referencia para futuras
implementaciones. El presente estudio abre
diversas líneas de investigación y desarrollo:
➢ Optimización del firmware embebido
mediante algoritmos de inteligencia
artificial ligera, capaces de predecir
patrones de consumo y ajustar
dinámicamente la distribución de energía.
➢ Escalabilidad del prototipo hacia sistemas
multipuerto de mayor densidad, evaluando
la eficiencia en escenarios de más de 10
dispositivos conectados simultáneamente.
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➢ Integración con plataformas IoT para la
visualización en tiempo real de métricas
energéticas en la nube, habilitando
estrategias de mantenimiento predictivo.
➢ Validación en entornos reales como
edificios inteligentes, plantas industriales o
centros de datos, con el fin de comprobar la
aplicabilidad del sistema en condiciones de
alta demanda.
➢ Estudio de impacto ambiental y
económico, considerando métricas de
ahorro en emisiones de CO₂ y reducción de
costos de infraestructura frente a sistemas
eléctricos tradicionales.
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González.
