ARQUITETURA DE DISPOSITIVOS EM REDE PARA MEDIÇÃO ELÉTRICA NÃO INVASIVA E MONITORAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA

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1 ARQUITETURA DE DISPOSITIVOS EM REDE PARA MEDIÇÃO ELÉTRICA NÃO INVASIVA E MONITORAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ELON C. P. HARA, RAFAEL B. B. CARVALHO, MARCOS T. KOIZUMI, TIAGO R. V. COELHO, FERNANDO C. CASTALDO Laboratório de Pesquisas e Desenvolvimento, DAELN, Universidade Tecnológica Federal do Paraná Av.Sete de Setembro 3165 Rebouças CEP Curitiba - PR s: Abstract This paper presents an R & D project, funded by the North Fluminense / Aneel, of a system to monitor energetic efficiency into internal sectors of environments industrial, commercial or domestic. The monitoring system is composed of: sensors modules connected to a serial communication bus; manager module that gathers data from sensors and sends by radio frequency; a coordinator module that receives data pooled from several managers and transfers to the database. The Manager and coordinators can exchange messages by radio antennas MRF24J40MB (range 121 meters) and MRF24J40MA (range 1210 meters) operating in the 2.4 GHz band. At the application layer protocol MiWi P2P (Microchip), have been created routing methods allowing to set network nodes in tree or mesh topologies. Compared to usual solutions based on wireless sensor networks with Zigbee protocol, the hybrid network topology and the MiWi P2P protocol allows measurements in environments with restrictions on radio link, simplifies the hardware and reduces the transceiver antennas. The grouping of data in manager s modules allows a reduced exchange of messages, increased throughput of payload per packet and infrastructure reliability. Keywords Power Monitoring Systems, Energy Efficiency, Network Topologies, WSN (Wireless Sensor Network), Radio Frequency Transceivers, Communication Protocols, Electrical Measurements Instrumentation. Resumo Este artigo apresenta um projeto de P&D, financiando pela Norte Fluminense/Aneel, de um sistema monitor de eficiência energética para setores internos de instalações industriais, comerciais ou domésticas, visando à redução do consumo de e- nergia elétrica nestes ambientes. O sistema é composto por: módulos sensores para medições não invasivas interligados em um barramento de comunicação serial; módulos gerentes que agrupam dados coletados em vetores; um módulo coordenador que recebe os vetores de vários gerentes e transfere a um banco de dados. Os módulos gerentes e coordenadores usam os transceptores de rádio frequência MRF24J40MA (alcance de 121 metros) ou MRF24J40MB (alcance de 1210 metros) que atuam na banda de 2.4 GHz. Foram criados métodos de roteamento na camada de aplicação do protocolo Miwi P2P que permitem arranjar os nós de rede em topologias de árvore ou malha sem empregar protocolos complexos como o Zigbee. A topologia híbrida de rede permite medições multipontos em ambientes com restrição ao radioenlace, simplifica o hardware, reduz o número de antenas transceptoras na rede e também custo por módulo sensor. O agrupamento de dados reduz a troca de mensagens, aumenta a taxa de transferência de dados úteis por pacote e a confiabilidade da infraestrutura. Palavras-chave Sistema de Monitoramento de Consumo, Eficiência Energética, Topologias de Rede, RSSF (Redes de Sensores Sem Fio), Transceptores de Radiofrequência, Protocolos de Comunicação, Instrumentos de Medição Elétrica. 1 Introdução Redes de instrumentos remotos para medição e- létrica têm sido desenvolvidas desde os anos 70. Em 1972 um sistema de coleta de dados que recebia sinais de alarmes para incêndios e invasão a domicílio, controlava cargas remotas e recebia leituras de medidores de energia, gás e água (Paraskevaskos, 1972). Em 1975, outro sistema de monitoramento e controle, também previa a transferência de dados para uma central por uma linha telefônica. Na época já havia interesse na transmissão por rádio frequência, inviabilizada pelo alto custo e baixa confiabilidade (Willis, 1975). Nos anos 80, os registradores remotos usados pelas concessionárias para tarifar usuários ficaram conhecidos por Automatic Meter Reading (AMR). Já no início do século XXI, com a concepção da smart grid, surgiu o problema de gerenciar o consumo e a produção de energia em um sistema distribuído, exigindo uma infraestrutura mais avançada, conhecida como Advanced Meter Infrastructure (AMI) (Gao et al, 2011). Neste contexto, concessionária e usuários compartilham informações de consumo em tempo real. As inovações permitem ao usuário controlar o consumo de forma consciente e escolher fornecedores de acordo com o valor da tarifa, e as concessionárias podem praticar novas modalidades de cobrança como o sistema pré-pago. Para atender estes requisitos foram desenvolvidos os Smart Meters, medidores que permitem monitorar a taxa de consumo de energia elétrica, ar comprimido ou gás. O medidor inteligente agrega funções de controle, registro de dados, autoajuste, comunicação em rede com outros medidores e com uma central que concentra os registros. Para os setores internos das unidades consumidoras, são previstos medidores do tipo Home Energy Management System (HEMS) que devem coletar informações sobre o consumo doméstico interno para auxiliar na administração eficiente da energia. Estes sistemas estão em estágio de desenvolvimento e não há consenso sobre as melhores tecnologias para esta aplicação, nem produtos consolidados no mercado (Bouhafs et al, 2012). Dentre as possíveis alternativas, estuda-se o uso de redes de transceptores de radiofrequência em conjunto com microcontroladores e elementos sensores. A evolução das comunicações digitais, a redução de custos dos circuitos integrados e módulos transceptores, a normatização de

2 protocolos e ambientes de desenvolvimento deu oportunidade para o desenvolvimento de várias plataformas de uso geral para wireless sensor network (WSN), que podem ser empregadas no monitoramento do consumo (Lluna et al, 2010). Entretanto, em comparação aos outros componentes básicos da plataforma WSN tais como transdutores, microcontroladores e memória, os módulos transceptores de rádio frequência ainda são componentes caros. Um grande número de módulos RF pode encarecer o sistema, congestionar a rede e ocasionar perdas de pacotes. Outro possível obstáculo ao emprego de redes WSN no monitoramento de consumo é realizar medições em ambientes blindados aos campos eletromagnéticos como armários, gabinetes e quadros elétricos como os da Figura 1, como é o caso em vários pontos da Usina Termoelétrica onde o sistema em desenvolvimento deve ser instalado. Estas restrições levam a uma configuração de hardware na qual o sensor de corrente e o transceptor não podem estar em um mesmo circuito eletrônico. Figura 1. Ambientes com restrição a sinais de rádio frequência Estes problemas motivaram esta pesquisa, desenvolvida com verbas de P&D de um projeto NorteFluminense/ANEEL, na qual está sendo projetada uma nova arquitetura para coleta de dados de consumo interno em instalações elétricas, sistema que ainda não é consolidado no mercado. O Sistema está sendo testado e instalado nas dependências da UTE Norte Fluminense. Embora vários estudos e trabalhos sobre redes de medidores nos moldes de sistemas HEMS venham sendo apresentados, o sistema proposto neste presente trabalho tem peculiaridades que o diferenciam dos demais, tais como: Prover sub-redes de módulos sensores conectados por um barramento interligado a outra rede de dispositivos de comunicação por radioenlace; Alocar estas sub-redes de sensores em ambientes com restrição a comunicação por radioenlace; Reduzir o número de módulos transceptores de RF necessários no sistema, que são componentes de custo elevado em relação a outros dispositivos da rede; Utilizar comunicação RF com protocolo P2P em topologias tree-cluster por implementação de métodos de roteamento em firmware; A topologia híbrida e o protocolo P2P permitem simplificar o hardware e reduzir custos em comparação a redes de sensores sem fios (RSSF) convencionais. A flexibilidade e baixo custo do sistema permite seu uso em outras aplicações nas quais seja possível agrupar dispositivos em clusters. A apresentação deste trabalho é dividida em 6 seções: a Seção 1 aborda o estado da arte, a Seção 2 resume as tecnologias existentes para redes WSN, a Seção 3 descreve o desenvolvimento do sistema proposto, a Seção 4 demonstra os resultados obtidos com a arquitetura de rede adotada em testes de qualidade de serviço de comunicação, a Seção 5 discute os resultados obtidos e na Seção 6 é feita a conclusão do estudo. 2 Redes de sensores sem fios Redes de sensores sem fio (RSSF), ou wireless sensor network (WSN) foram concebidas para cobrir áreas extensas espalhando módulos de baixo custo e baixa potência, formando redes de sensores (Al- Karaki e Kamal, 2004). Projetos como o smart dust da universidade de Berkeley, previam nós de rede robustos e de dimensão reduzida, capazes de coletar sinais analógicos, processar dados e prover comunicação bidirecional em redes escalonáveis, com tolerância a falhas e com baixo consumo de energia (Potdar et al, 2009). Inicialmente, vislumbraram-se aplicações como vigilância distribuída em campo de batalha, monitoramento em catástrofes naturais e na segurança do patrimônio (Belén et al, 2008). Uma rede WSN pode ter centenas ou milhares de nós sensores (Al-Karaki e Kamal, 2004), exigindo topologias flexíveis, com roteamento ativo e redundância na comunicação garantindo a integridade do sistema. As redes de baixa potência ou LR-WPAN (low data rate-wireless personal area network) foram desenvolvidas para resolver estes problemas e atender a uma grande gama de aplicações de sensoriamento e controle, incluindo os smart meters. 2.1 Características técnicas de módulos para WSN Para atender o novo mercado de aplicações que podem ser exploradas com as redes WSN, alguns fabricantes projetaram módulos com funções programáveis e outros periféricos. Nos módulos Xbee da empresa Digi, existem portas digitais e analógicas, o transceptor RF funciona sob o protocolo Zigbee e pode ser parametrizada pelo aplicativo X-CTU em um computador, e gravado pela porta serial (Digi, 2012). Estas plataformas são ideais em aplicações genéricas acelerando o desenvolvimento de projetos, mas em sistemas específicos que tenha o baixo custo e a eficácia como principais requisitos, devem-se considerar certas características técnicas, que segundo Potdar (Potdar et al, 2009) são: Projeto do módulo transceptor e seu alcance; Componentes (Microcontrolador, RTC, etc.); Memória de armazenamento não volátil; Comunicação (protocolos, topologias de rede); Potência consumida;

3 Nível de segurança das informações; Dimensões do módulo; Interface para programação e sensores. 2.2 Padrão IEEE e outros O padrão IEEE foi desenvolvido especialmente para normatizar redes LR-WPAN, sendo adotado pelo consórcio Zigbee ao qual são filiadas grandes empresas do setor de componentes eletrônicos. A vantagem dos padrões de comunicação é compatibilizar equipamentos de vários fabricantes e o consórcio Zigbee foi o primeiro a lançar seu padrão no mercado. Porém os custos e taxas a serem pagos pelo direito de uso e homologação dos produtos podem não interessar em certos projetos (Zigbee, 2012). Além do consórcio Zigbee, existem outros grandes grupos como o Z-WAVE (Z-WAVE, 2012), Bluetooth LE (Bluetooth, 2012) de baixa potência versão 4.0 e o padrão ISO ou DASH7 (DASH7, 2012). O protocolo 6LoWPAN (IETF, 2012) baseado no IPv6, ocupa pouco espaço de memória e pode ser aplicado sobre a pilha de outros protocolos como o Zigbee ou do DASH7. Existem ainda sistemas operacionais para redes, como o SNAP (SNAP, 2012). O Bluetooth de baixa potência é compatível com o Bluetooth tradicional, padrão mundialmente utilizado em diversas aplicações. O padrão DASH7 desenvolvido pelo consórcio ISO, opera na banda de 433 MHz pela sua eficiência em áreas construídas, atravessando concreto e água no raio de 250 metros, ou de até 5 quilômetros em espaços abertos. A comunicação dispensa roteadores, e sendo estável em áreas com trânsito de pessoas e máquinas, torna a comunicação mais rápida e eficiente (Norair, 2009). Quanto a interferências de outras redes muito usuais em áreas urbanas, como o Wi-Fi e o Bluetooth, o DASH7 também é menos afetado, por não compartilhar as mesmas bandas de 2.4 GHz, como também é o caso do Zigbee (Shin, 2004). Os fabricantes de componentes ainda não oferecem muitas opções para projetos com os protocolos Bluetooth LE e DASH7, fato que deve mudar em breve. 2.3 Protocolos Proprietário e o Miwi DE Fabricantes como Texas Instruments, Freescale, Renessas e outros disponibilizam aos seus usuários, protocolos proprietários baseados no IEEE que podem ser utilizados abertamente. Dentre estes, a Microchip oferece o ambiente de desenvolvimento de redes sem fio Miwi DE, com simples protocolos para redes ponto a ponto na versão P2P, até protocolos para redes mais complexas com 8000 nós na versão Miwi Pro. A configuração pode ser feita em firmware nas camadas de interface MiApp e Mi- MAC, ou no ambiente de desenvolvimento Miwi DE (Yang, 2009a; b; 2010; 2011a; b). O protocolo Miwi ocupa pouca memória de programa e de dados em comparação ao Zigbee, a pilha de protocolos pode ser alterada pelo programador e seu uso não exige licenciamento quando em conjunto com as antenas transceptoras Microchip: MRF24J40MB (20 dbm e 2.4 GHz); MRF24J40MA (0 dbm e 2.4 GHz); MRF49XA (434/868/915 MHz); MRF89XA (868/915/955 MHz). Estas características tornam o protocolo Miwi P2P adequado para o uso em topologias com poucos nós de rede, mesmo assim uma rede P2P pode conectar até 2 64 pontos em uma topologia estrela. Uma limitação desta topologia é a incapacidade de roteamento automático, atribuição que pode ser programada em firmware na camada de aplicação do Miwi P2P. O uso de transceptores de longo alcance reduz a necessidade de roteamento dentro do raio de alcance de até 1200m em campo aberto, ou 300 metros em áreas construídas. Quando o transceptor de alta potência não é suficiente, como em áreas construídas, antenas de baixa potência permitem estender o alcance nestes ambientes, por meio do roteamento automático desenvolvido para o P2P. Estes aspectos foram considerados e levaram à arquitetura final da rede desenvolvida, que será descrita a seguir. 3 Desenvolvimento do sistema proposto Atualmente, além de prever o aumento de produção da energia elétrica é necessário também criar estratégias para utilizar a energia já disponível com mais eficiência. O sistema em desenvolvimento, financiado pelo projeto de P&D da Norte Fluminense/ANEEL, que obteve o pedido de patente Nº de 11/04/2012, visa oferecer dispositivos de baixo custo para monitorar o consumo de energia elétrica em instalações industriais, comerciais ou residenciais. Este sistema permitirá um grande avanço nos hábitos de consumo de energia, demonstrando onde, quando e de que forma ela está sendo gasta. O sistema é facilmente integrado em instalações ativas sem causar interrupções. O monitoramento persistente nos setores da instalação elétrica, tomando medições em longos períodos permite revelar detalhes do perfil de consumo em forma de gráficos e relatórios. A análise destes dados pode contribuir na tomada de decisão pelos usuários ou gerentes do sistema, permitindo detectar e solucionar problemas que antes eram desconhecidos, gerando economia e evitando desperdício de energia elétrica. Os principais requisitos que levaram os dispositivos e a rede à sua configuração atual foram: Baixo custo dos dispositivos (unidade +/- 50 US$); Concentração de informações em um banco de dados; Métodos para gerenciar, manter e alterar o sistema, adicionando ou retirando dispositivos;

4 Medições síncronas de corrente em múltiplos pontos da instalação elétrica. Medições não invasivas de corrente elétrica. Medição em ambientes blindados para RF. Dimensões reduzidas dos módulos sensores. Facilidade de instalação. Atendendo ao requisito de facilitar a instalação e gerenciar os dispositivos, as redes sem fios permitem eliminar cabos longos e facilitar a realocação, adição ou remoção de nós de rede. Como as medições precisam ser feitas em ambiente com restrição para radiofrequência existe a necessidade de separar os circuitos analógicos de aquisição de dados dos circuitos de transmissão por rádio enlace. Ao mesmo tempo, a monitoração sincronizada dos sensores, exige que as leituras sejam coordenadas de alguma forma, em uma rede local. Para conformar estas necessidades, adotou-se um sistema híbrido composto por conjuntos de sub-redes cabeadas, denominadas microrredes e por um conjunto de elementos conectados por radioenlace denominados gerentes e coordenador. Os módulos podem ser interligados em uma topologia tree-cluster e a arquitetura final do sistema pode ser vista na Figura 2, fora do ambiente blindado para manter a conexão com o módulo coordenador pelo sinal de rádio, como mostrado na Figura 3. As microrredes comportam qualquer módulo sensor e em qualquer quantidade, desde que o módulo forneça dados digitais na formatação correta pelo barramento serial adotado. Módulo Sensor Quadro Elétrico Barramento de Dados Cabos Condutores Botão Figura 3. Barramento de sensores dentro de quadro elétrico. Módulos Sensores Módulos Sensores Módulo Gerente Módulos Gerentes I2C Módulo coordenador Transdutores Hall Microcontrolador Memória Não Volátil Conversor e Multiplicador Analógico SD / Pulso Digital Sincronismo e Controle E/S RTC USB Módulo Coordenador Microcontrolador Conversor UART/USB UART Microcontrolador SPI Banco de Dados SPI Módulos Sensores Figura 2. Arquitetura proposta da infraestrutura medidora USB Tranceptor RF Miwi Tranceptor RF 3.1 Microrredes de medidores em barramento. Nos protótipos iniciais, o sinal analógico dentro do quadro elétrico era conduzido até um circuito externo, onde era condicionado e enviado por radioenlace ao módulo concentrador de rede. O método centralizado de processamento dos sinais limitava o número de aquisições por módulo, exigia processadores rápidos, e cabos blindados para evitar que os ruídos provenientes do ambiente provocassem erros de leitura. Para melhorar a qualidade do sinal adquirido pelo sensor, minimizar a necessidade de blindagens e distribuir o processamento do sistema, optouse pela utilização de uma estrutura cabeada, denominada microrrede de medidores, composta por módulos sensores e um módulo gerente que estão interligados por um barramento de comunicação serial. O módulo sensor grava valores a cada sinal de sincronismo e os envia pelo barramento I2C. O módulo gerente agrupa as medidas dos sensores em um vetor, que é enviado por radioenlace para o módulo coordenador. O módulo gerente, que possui em seu hardware a antena transceptora, deve ser instalado SERVIDOR / BD Figura 4. Diagrama de blocos da microrrede e seus módulos. No diagrama de blocos de Figura 4 é ilustrado o conjunto dos módulos interconectados. Uma limitação deste sistema é a taxa de comunicação entre o módulo coordenador e o gerente. A taxa de aquisição de dados na microrrede deve ser compatível com o intervalo de tempo disponível para que os todos os módulos enviem suas leituras. 3.2 Módulo Sensor O módulo ilustrado na Figura 5 é composto por um sensor de efeito Hall raciométrico SS495A (Honeywell, 2010), que capta as linhas de campo concatenadas em um núcleo ferromagnético. Dentro do núcleo deve ser inserido um cabo condutor elétrico, pelo mecanismo do braço deslizante. O gabinete do circuito eletrônico é blindado com lâminas de alumínio e o próprio núcleo provê uma blindagem aos ruídos externos ao sinal. O módulo provê conectores de entrada e saída permitindo inter-

5 conectar módulos e formar a microrrede. Para evitar os ruídos eletromagnéticos, o sinal é condicionado por um conversor e multiplicador analógico no menor trajeto possível entre o sensor e este conversor na placa de circuito impresso, e depois enviado por pulsos ao microcontrolador. Braço deslizante Sensor Hall Núcleo Ferromagnético linha de dados I2C, que são gravadas pelos módulos sensores, e enviar ao módulo coordenador por meio do radioenlace. O módulo gerente recebe sinais de controle do coordenador que permitem: Requisitar o endereço dos módulos conectados; Requisitar medidas dos módulos sensores; Ajustar o relógio de tempo real; Ajustar o intervalo entre medidas; Repassar uma requisição para outro módulo; Repassar uma mensagem a outro módulo. Relatar falhas no repasse das mensagens. Entrada Saída Módulo Sensor de Corrente Figura 5. Protótipo do módulo sensor. O algoritmo ilustrado pelo fluxograma da Figura 6 é gravado no microcontrolador de cada módulo sensor e faz o controle das leituras e do envio de dados pelo barramento. O módulo gerente não envia dados ao coordenador sem requisições, mas gera sinais de sincronismo aos módulos sensores que gravam dados continuamente na memória compartilhada no intervalo programado. O hardware visto na Figura 7 é composto por um microcontrolador dspic33fj128mc706, uma memória não volátil de 16 kb, um relógio de tempo real DS1307 e pelos módulos transceptores da microchip MRF24J40MA para módulos com alcance de 121 metros ou MRF24J40MB para até 1210 metros, atuando na banda de 2.4 GHz. Início Aquisição de dados ADC Sinal de Sincronismo? S Saída = 1 Entrada=0? N S N Saída = 0 Enviar Leitura e endereço Iniciar I2C Figura 6. Lógica de funcionamento do módulo sensor. A porta de sincronismo reinicia o sistema e a aquisição do sinal analógico dos módulos. A porta de entrada em nível lógico baixo sinaliza o momento de enviar 16 bits (leitura e endereço) pela linha de dados I2C e de desativar a porta de saída ligada ao próximo módulo. O ciclo de desativação das portas de saída é repetido até que todos os dados sejam enviados para uma memória não volátil, formando um vetor de dados, quando é gerado um novo sinal de sincronismo reiniciando o ciclo. O microcontrolador escolhido foi o PIC18F14K50 por suas dimensões de apenas 25 mm 2, pela capacidade de processamento de 12 MIPS (milhões de instruções por segundo), e por oferecer todos os periféricos necessários ao dispositivo sensor. O CI conversor analógico/digital é o MCP3905A, que também possui um bloco de cálculo de potência ativa. 3.3 Módulo Gerente. Este módulo possui a função de agregar as informações salvas na memória compartilhada pela Figura 7. Protótipo do módulo gerente. 3.4 Módulo Coordenador e banco de dados O módulo coordenador é ligado em um computador por uma conexão USB. Este módulo concentra e transfere as informações requisitadas aos módulos gerentes através da rede de radioenlace, em um banco de dados. O módulo recebe uma ordem de serviço (OS) do software de monitoramento e interface do sistema denominado AGREE (Assistente de Gerenciamento Remoto de Energia Elétrica). A OS é gerada a partir de um sistema de cadastros que relaciona cada módulo do sistema a um valor único, além de incluir outras informações pertinentes que podem ser inseridas pelo usuário no ambiente AGREE. Um vetor com a sequência de módulos gerentes a serem requisitados é enviado pela porta USB ao módulo coordenador, que executa a lista de chamada na ordem listada, pedindo dados a cada módulo gerente e repassando ao banco de dados. O módulo coordenador deve executar as seguintes tarefas: Requisitar ordens de serviço ao AGREE; Reconhecer os nós de rede;

6 Planejar as rotas adequadas; Conferir todos os nós gerentes; Emitir de alertas em caso de falhas; Requisitar lista de sensores para cada gerente; Requisitar o vetor de dados para cada gerente; Alterar o intervalo entre as leituras pelos sensores; Sincronizar os relógios de tempo real. portas de saída dos circuitos permitindo visualizar a atividade pela alteração do estado lógico destas saídas, sempre que os módulos trocam mensagens, conforme ilustrado na Figura 8. O coordenador deve reconhecer a rede, procurar por módulos gerentes e planejar as rotas para alcançar módulos inacessíveis por limitação da antena ou da localização do módulo. Se novos módulos são incluídos o coordenador deve detectá-los e incluir na lista de rotas. Se algum nó está em falha, o coordenador detecta o problema e comunicar ao serviço AGREE. A eletrônica é semelhante a dos módulos gerentes, exceto por possuir conexão USB e não dispor de entrada para a microrrede. 4 Resultados. Os resultados obtidos no atual estágio da pesquisa, e que são enfatizados nesse artigo se referem aos testes realizados com os módulos gerentes e coordenador quanto à qualidade do serviço obtido com a estrutura coletora de dados na topologia proposta. Estes testes são úteis para caracterizar a rede, conhecer os seus limites em termos de número de nós, avaliar o tempo de propagação dos sinais pela rede sem fios e a perda de pacotes. Como o módulo sensor está em desenvolvimento, a troca de dados é feita com valores arbitrários, fato que não influi na qualidade de transferência de dados pela rede sem fios. Pela metodologia adotada no experimento, um novo envio ocorre sempre que a resposta de mensagem anterior houver sido recebida. Se interrompido o fluxo de mensagens, a conexão é reiniciada e são então contabilizadas as perdas. Para visualizar os dados recebidos por uma porta serial virtual, foi utilizado o programa Tera Term VT. 4.1 Tempo de envio e recepção de uma mensagem. Neste teste, foram medidos os intervalos entre envios de mensagens por dois e três módulos localizados a curta distância. Figura 8. Módulo Coordenador e Gerente usado no ensaio. O ensaio consistiu em programar módulos transceptores, ligá-los em um osciloscópio conectado nas Figura 9. Número de mensagens por segundo no Tera Term VT. Na Figura 9, o número de mensagens recebidas no intervalo de um segundo é impressa na tela do programa Tera Term VT pelo módulo coordenador, por meio de uma conexão USB. As variações ocorrem de acordo com as condições de envio no instante da transmissão quanto ao meio. Foram testados vários tamanhos de pacotes na comunicação entre dois (coordenador-gerente) e três nós (coordenador-roteador-gerente) e os resultados obtidos podem ser vistos nas tabelas 1, e 2. Tabela 1. Comunicação entre dois nós com pacotes de 1~70 bytes. Tamanho da mensagem Nº de Mensagens Duração Média (ms) Variação (ms) 1 Byte 76 13,3 12~15 10 Bytes 57 25,0 24~26 20 Bytes 45 25,0 26~29 30 Bytes 38 27,0 23~27 40 Bytes 34 31,0 30~33 50 Bytes 29 34,0 34~36 60 Bytes 26 39,0 39~40 70 Bytes 23 42,0 41~42 Tabela 2. Comunicação entre três nós com pacotes de 1~70 bytes. Tamanho da mensagem Nº de Mensagens Duração Média (ms) Variação (ms) 1 Byte 35~41 30,0 21~25 10 Bytes 26~31 34,0 32~37 20 Bytes 21~25 36,0 35~40 30 Bytes 19~23 50,0 48~52 40 Bytes 14~19 58,0 56~60 50 Bytes 12~17 64,0 56~68 60 Bytes 9~16 74,0 68~80 70 Bytes 8~13 90,0 82~120 A variação no período entre envios pode ser de 40 ms no pior caso, mas permite receber no mínimo 8 pacotes de 70 bytes, totalizando 560 bytes por segundo, contra o máximo de 41 bytes para pacotes de 1 byte sendo vantajoso enviar pacotes maiores, o que se explica pela influência do cabeçalho do protocolo. A distância não afeta o tempo de transmissão entre dois pontos de modo significativo. Medidas realizadas entre os módulos transceptores MRF24J40MA (baixa potência) a 1 ou 30 metros apresentaram as mesmas características e latências. Porém a distância

7 Número de Pacotes Perdidos Número de pacotes Perdidos pode causar aumento de perdas de pacotes pela atenuação da potência do sinal transmitido, as perdas podem ser agravadas pela poluição eletromagnética, fato que deve ser objeto de futuros estudos com medições locais utilizando analisadores de espectro. Durante os teste havia 6 redes Wi-Fi, que operam no espectro de 2,4 GHz, que em alguns momentos podem interferir no sinal da rede Miwi P2P. 4.2 Perda de Pacotes Este teste consistiu em enviar 5 séries de 2000 mensagens (Figura 10 e 11) e contabilizar o número de pacotes perdidos, que são mensagens cuja resposta não foi recebida em um intervalo máximo de 300 ms. Este intervalo foi definido pela constatação que cada pacote é enviado e recebido em 120 ms no pior caso registrado Figura 10. Pacotes perdidos em séries de 2000 envios, em função do tamanho da mensagem e do número de nós Perda Total de Pacotes Séries de Testes Realizados Perda Média de Pacotes Tamanho do pacote (bytes) Figura 11. Média da perda de pacotes em função do tamanho da mensagem e do número de nós. O pacote enviado foi aumentado em 10 bytes ao fim de cada 5 séries até 70 bytes. A contagem dos pacotes perdidos e enviados foi realizada no firmware do módulo coordenador, os resultados foram transferidos pela porta USB e exibidos pelo software Tera Term. Os módulos estavam em posições fixas a 2 metros do nível do piso, em andares diferentes nos corredores do campus, com trânsito de pessoas. 5 Discussão tamanho pacote pacotes perdidos 2 nós pacotes perdidos 1 nó 2 nós de rede 1 nó de rede Além dos requisitos de medições em ambientes com restrições aos sinais de RF, que levaram ao projeto das microrredes de medidores e do custo dos transceptores que podem ser reduzidos no sistema híbrido, a redução do número de nós de radioenlace melhora a qualidade do serviço da infraestrutura coletora de dados. O uso de antenas de longo alcance permite reduzir o número de nós roteadores e assim a latência total do sistema. Conforme esperado, ao incluir um roteador entre dois nós de rede o tempo da transmissão dobra, e a frequência de entrega de pacotes de 1 byte (carga útil) é de 35 vezes por segundo. O protocolo Miwi P2P é adequado nesta rede com poucos nós, pois a requisição de dados é feita de forma ordenada para cada gerente da rede (polling). Outra vantagem é o tamanho do quadro de comunicação do Miwi P2P, que é menor que nos protocolos Miwi, Miwi Pro ou Zigbee. Para tornar o sistema flexível, o firmware desenvolvido incluiu roteamento automático ao P2P permitindo formar topologias tree-cluster, na qual antenas de baixa potência podem ser acessadas no raio de 30 metros, em locais onde as antenas de alta potência não alcançam diretamente devido aos obstáculos na visada de transmissão. Um módulo gerente pode ser ligado em uma microrrede, ou usado apenas como repetidor de dados. A perda de pacotes varia em torno de 1,7 %, com picos de até 12,5%, devido a fatores externos como o trânsito de pessoas e presença de redes Wi-Fi e Bluetooth (Shin, 2004) nos ambientes monitorados. Algumas melhorias no firmware desenvolvido podem reduzir a taxa de perdas de pacotes, que não é um fator crítico considerando que o monitoramento de consumo não exige altas taxas de leituras. Os pedidos podem ser refeitos tantas vezes quanto for necessário, desde que não ultrapasse o tempo da próxima varredura da rede. A segurança do sistema em relação a ataques externos não foi uma preocupação neste estágio do projeto, pois esta é uma rede de coleta dados que não permite nenhum controle externo sobre a instalação monitorada. Ainda que os dados sejam interceptados, eles devem estar relacionados com as requisições do programa AGREE e com as informações do banco de dados de acesso local, para a obtenção de alguma informação relevante. 6 Conclusão Uma infraestrutura de medidores de consumo foi projetada para monitorar plantas industriais, comerciais ou domésticas, a partir de vários requisitos, principalmente o baixo custo dos dispositivos e leituras em ambientes com restrições a radiofrequência. Um estudo revisou as principais tecnologias de comunicação existentes para estes sistemas, também conhecidos como Home Energy Management System HEMS. Para contornar a restrição aos enlaces de RF nos quadros e armários, foi proposta a alocação de uma microrrede de sensores interligados por um barramento de comunicação serial dentro destes ambientes. Os dados são agrupados em um módulo externo aos gabinetes metálicos, e enviados por radioenlace para um banco de dados. Esta abordagem

8 reduz o custo do sistema compartilhando um único transceptor no módulo Gerente com vários sensores, e também aperfeiçoa o trânsito de pacotes pela rede. Para abstrair parâmetros de dimensionamento da rede e conhecer suas limitações, foram testadas as taxas de transmissão e perdas de pacotes em função do tamanho da mensagem e do número de nós em uma rede estabelecida em um bloco do Campus da UTFPR. Constatou-se que um roteador entre dois nós de rede pode dobrar o tempo de resposta a uma requisição, a taxa assim obtida foi de aproximados 10 pacotes de 70 bytes por segundo. A perda média de pacotes foi 1,7% causada por fatores do meio, como atenuações do sinal pela distância, interferências de redes Wi-Fi e mesmo do trânsito de pessoas nas áreas monitoradas. O desenvolvimento dos módulos sensores deverá permitir novos testes e resultados mais concretos sobre o sistema como um todo. Agradecimentos Esta pesquisa está sendo desenvolvido com verbas destinadas a P&D da Norte Fluminense/ANEEL, por meio de uma parceria firmada entre a UTFPR, Funtef e a Jordão Engenharia. Agradecimentos especiais aos colegas dos Laboratórios de Desenvolvimento de Pesquisas e de Prototipagem da UTFPR. Referências Bibliográficas Al-Karaki, J.N. and Kamal, A. E. (2004). Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey. IEEE Wireless Communications. Bouhafs, F. Mackay, M. Merabti, M. (2012). "Links to the Future: Communication Requirements and Challenges in the Smart Grid," Power and Energy Magazine, IEEE, vol.10, no.1, pp Bluetooth, Specification of the bluetooth system. [online] Available at: <https://www.bluetooth.org/technical/specificat ions/adopted.htm> [Accessed 29 February 2012]. DASH7, DASH7. [online] Available at: <http://www.dash7.org> [Accessed 2 March 2012]. Digi, Digi Making Wireless M2M Easy. [online] Available at: <http://www.digi.com/xbee/> [Accessed 4 March 2012]. IETF, internet engeneering tarefe force. [Online] Available at: <http://www.ietf.org> [Accessed 1 March 2012]. Gao, J. Xiao, Y. Liu, J. Liang, W. Chen, C.L.P. (2012). A survey of communication/networking in Smart Grids, Future Generation Computer Systems, Vol. 28, Issue 2, Pages luna avarro am re, D. Casans, S. (2010). "Sensor Network to Measure Electric Parameters," Sensor Technologies and Applications (SENSORCOMM), 2010 Fourth International Conference on, pp , Honeywell, SS495A Series Standard Miniature Ratiometric Linear Hall-Effect Sensor; radial lead IC. [online] Available at: < 5 March 2012]. J. Norair. (2009). Why does dash7 use 433 mhz? DASH7.ORG. [online] Available at: <http://www.dash7.org/dash7%20and% pdf> [Accessed 2 March 2012]. Paraskevakos, T.G., Paraskevaskos Eletronics.,1972. Sensor Monitoring Device. U.S.Pat. 3,842,208. Potdar, V. Sharif, A. Chang, E. (2009). "Wireless Sensor Networks: A Survey," Advanced Information Networking and Applications Workshops, WAINA '09. International Conference on, vol., no., pp , Shin, S. Y. Park, H. S. Kwon, W. H. (2007). Mutual interference analysis of IEEE and IEEE b, Computer Networks, vol. 51, Issue 12, Pages SNAP, Synapse Wireless Inc. [Online] Available at: <http://www.synapsewireless.com/> [Accessed 29 February 2012]. Yang, Y. (2011a). Microchip miwi p2p wireless protocol. Microchip Inc. [online]. Available at: Notes/01204B.pdf>. Yang, Y. Flowers, D. (2010). Miwi wireless networking protocol stack. [online] Available at: Notes/AN1066%20%20MiWi%20App%20Note.pdf>. Yang, Y. (2011b). Microchip miwi pro wireless networking protocol. Microchip Inc. [online]. Available at: Notes/01371A.pdf>. Yang, Y. (2009a). Microchip wireless (miwi) media access controller mimac. Microchip. [Online]. Available at : Notes/01283a.pdf>. Yang, Y. (2009b). Microchip wireless (miwi) application programming interface - miapp. Microchip Inc. [online] Available at: Notes>. Yick, J. Mukherjee, B. and Ghosal, D. (2008) Wireless sensor network survey Computer Networks, vol. 52, No. 12, pp Willis, J.R., Electromitor,Inc., Apparatus for automatically sending data over a telephone system from a remote station to a central station. U.S.Pat.3,987,246. Z-WAVE, Z-WAVE Alliance. [online] Available at: <http://www.z-wavealliance.org> [Accessed 29 February 2012]. Zigbee, Zigbee Alliance. [online] Available at: <www.zigbee.org> [Accessed 2 March 2012].

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