SISTEMA DE CONTROLE PARA EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DOMÉSTICOS

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1 SISTEMA DE CONTROLE PARA EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS DOMÉSTICOS Francisc Erivald Fernandes Junir¹, Sheyla Rdrigues Rabel², Dr. Pedr Klécius Farias Cards³ IFCE Institut Federal de Educaçã, Ciência e Tecnlgia d Ceará CNPq - Cnselh Nacinal de Desenvlviment Científic e Tecnlógic ¹fcerivaldjr@yah.cm, ²sheyla.rabell@gmail.cm, ³klecius@ifce.edu.br Resum: Este artig tem cm bjetiv apresentar um prjet desenvlvid pr aluns de iniciaçã cientifica e tecnlógica para cntrle de cnsum de energia elétrica residencial. O prjet inicial cntrla aparelhs de ares cndicinads dméstics sem necessidade de mdificações n aparelh. O equipament que será cntrlad necessitará apenas pssuir uma interface para cntrle remt infravermelh. O usuári d sistema necessitará apenas de um cmputadr para realizar a prgramaçã d funcinament d aparelh da maneira que desejar. O sistema utiliza cmunicações através de redes sem fi cm prtcl ZigBee e s cnceits PEM. Palavras-Chaves: Cntrle, autmaçã residencial, gerenciament de energia, ZigBee. Abstract: This paper aims t present a prject develped by students f scientific and technlgical initiatin t cntrl f residential electricity cnsumptin. The initial prject cntrls hme appliances air cnditiners withut requiring any mdificatins t the appliance. The equipment t be cntrlled just need t have an interface fr infrared remte cntrl. The system user will nly need a cmputer t perfrm prgramming f device functin as desired. The system uses cmmunicatins via wireless netwrks with ZigBee prtcl and the PEM s cncepts. Keywrds: Cntrl, hme autmatin, energy management, ZigBee. 1 INTRODUÇÃO Em tds s ambientes em que existem equipaments elétrics e eletrônics, sejam dméstics, crprativs u industriais, sempre crre uma má utilizaçã de tais equipaments que acarreta em um gast de energia desnecessári para a cncessinária e para s cnsumidres. Segund a Agência Nacinal de Energia Elétrica (ANEEL), cnsumidr brasileir desemblsu em trn R$ 5 bilhões na cnta de luz destinads a prjets de eficiência energética e de sluções para melhrar a peraçã d sistema elétric nacinal, n que se refere da prduçã à transmissã a cnsumidr final, ns últims 10 ans. N entant, a precupaçã vltu-se para cnsum residencial que está crescend de maneira cnsiderável, nã apenas pel mair acess a eletrdméstics, mas, sbretud pel desperdíci causad pr aparelhs elétrics ligads desnecessariamente, trazend prejuízs tant para cnsumidr quant para as cncessinárias. Diante desse prblema existe a prpsta de um nv cnceit sbre uma melhr utilizaçã ds recurss energétics, cnhecid cm Persnal Energy Management (PEM). Esta nva frma de gerenciar cnsum de energia frnece um cntrle mair a usuári e as cncessinárias. Os dads de cnsum ficariam armazenads em um servidr, nde s clientes, gestres d sistema elétric e as cmpanhias de distribuiçã teriam acess instantâne e em temp real sbre a utilizaçã ds recurss energétics. O cnsumidr cmum teria uma enrme vantagem cm a utilizaçã d PEM, pis ele pderia criar plans de cnsum, verificar hráris cm mair desperdíci de energia e assim bter uma reduçã significativa de seus gasts cm energia. As indústrias também pderiam bter significativa reduçã em seus gasts. Figura 1 Arquitetura d sistema A utilizaçã d PEM está ligada a pssibilidade de cntrlar tds s equipaments de maneira eficaz. O usuári pderia manter um determinad ambiente em uma temperatura cnstante, independente d númer de pessas u fntes de calr existentes nesse ambiente. A filsfia PEM acarreta na criaçã de dispsitivs que pdem realizar medições de si mesms e ajustar cnstantemente s equipaments que estã send cntrlads para manterem uma saída cnstante. Outra pssibilidade de utilizaçã desses equipaments inteligentes seria a prgramaçã de hráris de funcinament u desligament autmátic quand nã existirem pessas n ambiente. Dads demnstrativs cmprvam que quant menr uma empresa mair a prcentagem de energia elétrica cnsumida pr ares cndicinads. Se em empresas esses INFOBRASIL

2 aparelhs sã s maires cnsumidres de eletricidade em residências a situaçã nã é diferente. Prtant, um us mais inteligente desses equipaments acarretariam uma cnseqüente diminuiçã d cnsum de energia. Lg, cntrle de arcndicinads trna-se um assunt relevante ns dias atuais. O presente prjet cnsiste de um sistema de cntrle de ares cndicinads dméstics sem necessidade de mdificações ns equipaments, únic pré-requisit será que eles precisarã pssuir uma interface para utilizaçã de cntrle remt infravermelh. O cntrle remt tradicinal desses equipaments será substituíd pr um cntrle prgramável através de um cmputadr pessal. Prtant, usuári d ar cndicinad pderá prgramar dias, hráris e temperatura de funcinament de seu equipament utilizand seu própri micrcmputadr. O usuári precisará apenas manter cntrle desenvlviment em visada direta para ar cndicinad, assim cntrle pderá ligar, desligar e mudar a temperatura de acrd cm a prgramaçã criada. Além diss, existi um módul USB para que sistema desenvlvid funcine na mairia ds cmputadres existentes atualmente. A cmunicaçã entre cmputadr e cntrle desenvlvid será feita através de uma rede sem fi que utilizará prtcl ZigBee. 2 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA O sistema cnsiste de um módul USB e um módul de cntrle. Tdas as partes d sistema se cmunicam através de uma rede sem fi utilizand prtcl ZigBee. Um diagrama de funcinament d sistema é mstrad na figura 1. O sistema é dividid em duas partes: módul de cntrle e sftware servidr. O módul de cntrle é um dispsit que funcina cm prtcl ZigBee, interface ptica infravermelha e sensr de temperatura. O sftware servidr é feit em java e pssui as ferramentas necessárias para cntrle d ar cndicinad pel usuári. Este sftware se cmunica cm módul de cntrle através de uma interface USB-ZigBee. A seguir, cada parte d sistem a será demnstrada e explicada. 2.1 MÓDULO DE CONTROLE O módul de cntrle é dispsitiv final de cntrle d equipament. Ele tem as funções de receber dads d servidr, interpretar esses dads e cntrlar equipament. Um fluxgrama de funcinament deste dispsitiv é mstrad na figura 2. Este equipament fi cnstruíd utilizand-se um micrcntrladr da série PIC, mdel 16F876A, um radi transmissr ZigBee XBeePRO da Digi Internatinal, um sensr de temperatura LM35 da Natinal Semicnductr, um Real- Time Clck da Maxim Semicnductr DS1302 e um LED infravermelh para a cmunicaçã cm ar-cndicinad. O micrcntrladr PIC fi esclhid pr sua versatilidade e facilidade de prgramaçã além de ser facilmente encntrad a venda em qualquer lugar d Brasil. O mdel 16F876A pssui as seguintes características: Memória de prgrama de 14,3kB; Memória RAM de 368B; EEPROM de 256B; Cnversr analógic-digital de 10-bit; Interface USART; Interface SPI; Interface I²C; Etc. O radi transmissr ZigBee XBeePRO pssui diversas vantagens, algumas delas sã apresentadas abaix: Perfrmance: Rendiment da Ptência de saída: 60 mw (18 dbm), 100 mw EIRP; Alcance em ambientes interns u znas urbanas: 100m; Figura 2: Fluxgrama de funcinament d módul de cntrle 2 INFOBRASIL 2011

3 Alcance de RF em linha visível para ambientes externs: 1,6Km; Sensibilidade d receptr: -100 dbm (1% PER); Alimentaçã: Freqüência de peraçã: ISM 2.4 GHz; Taxa de dads de RF: bps; Taxa de dads da Interface (Data Rate): bps; Tensã de alimentaçã: 2.8 à 3.4v; Crrente de transmissã (típic): V; Crrente de Recepçã (típic): V; Crrente de Pwer-dwn Sleep: <10 µa; Prpriedades físicas: Rede: Geral: Dimensões: (2,438cm x 3,294cm); Temperatura de peraçã: -40 t 85º C (industrial); Opções de antena: Cnectr U.FL RF, Chip u Chicte (whip); Tip de espalhament espectral: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum); Manipulaçã de err: Retransmite nvamente (Retries) & recnheciment (acknwledgements); Tplgia de Rede: Peer-t-peer(Par-a-par), pnt-a-pnt, pnt-a-multipnt e malha; Endereçament: endereçs de rede dispníveis para cada canal; Opções de filtrs: PAN ID, canais e endereçs; Criptgrafia: 128-bit AES; Númer de canais selecináveis via sftware: 12 canais de seqüência direta; Faixa de freqüência: GHz. O Real-Time Clck DS1302 é um relógi capaz de cntar, dias, meses, ans, hras, minuts, segunds e dias da semana. Sua cmunicaçã é feita pela interface SPI d micrcntrladr. Este CI é essencial para cntrle d ar cndicinad de acrd cm a prgramaçã d usuári. Pr últim, sensr de temperatura LM35 da Natinal Instruments é um CI cm saída analógica para mediçã de temperatura em escala de graus celsius. O LED infravermelh tem a funçã de se cmunicar cm ar cndicinad ele é respnsável pr mandar cmands de ligament, desligaments e mudança de temperatura. O circuit é alimentad pr uma bateria de 9V. Essa tensã é cnvertida para 5V para ser utilizada n micrcntrladres, sensr de temperatura e Real-Time Clck. Em seguida, a tensã de 5V é cnvertida para 3,3V para utilizaçã d radi ZigBee. Figura 3: esquemátic d módul de cntrle Figura 4: visã geral d módul de cntrle 2.2 DETERMINAÇÃO DOS CÓDIGOS IR Para a determinaçã da cdificaçã d cntrle d arcndicinad testad fi utilizad um circuit cmpst pr um fttransistr infravermelh e um scilscpi. O arcndicinad utilizad era fabricad Carrier d tip splint. A mdulaçã das infrmações d citad equipament é feita em 38kHz cada puls pssui 21 unidades de temp, será cnvencinad T. Um sinal lógic 1 é frmad pr 1T alt seguid pr 3T baix. Enquant que um sinal lógic 0 é frmad pr 1T alt e 1T baix. Figura 5: exempl de pulss emitids pr um cntrle remt INFOBRASIL

4 2.3 SOFTWARE SERVIDOR Cm dit anterirmente, prgrama servidr será a interface hmem-máquina d sistema prpst. Neste sftware existe as pções para a prgramaçã d ar cndicinad, cm hráris, dias da semana e temperatura de funcinament. Ele é escrit em Java, uma linguagem cm alt grau de prtabilidade, para permitir a utilizaçã em sistemas pucs cnvencinais, cm Linux, BSD e Mac OS. As figuras 6 e 7 mstram as telas d sftware para usuári final. bastand usar prgrama X-CTU distribuid pela própria Digi Internatinal. Cm este sftware tda a cnfiguraçã de rede é feita através dele. Prtant, envi de dads, após a cnfiguraçã d módul, é feita cm se fsse uma prta serial cmum. N prgrama que enviará dads nã é necessári criar rtinas para a cnfiguraçã e funcinament da rede. A figura 9 mstra a janela de cnfiguraçã das pções de rede d prgrama X-CTU. N crp d módul USB d site RgerCOM também é pssível saber algumas infrmações d funcinament da rede, cm intensidade d sinal, se estar recebend u transmitind e se módul estar funcinand. Além diss, módul cnta cm drivers para s mais diverss sistemas peracinais, desde antiguad MS Windws 98 até nvíssim MS Windws 7. Figura 6: Tela inicial d servidr Figura 7: Tela para prgramaçã d ar cndicinad Após a finalizaçã da prgramaçã, usuári basta apertar btã PROGRAMAR para que tds s dads sejam enviads para módul de cntrle. A transmissã ds dads d PC para módul de cntrle é feit pr um módul USB que será explicad lg abaix. 2.4 MÓDULO USB O módul USB é mei de transmissã entre PC e módul de cntrle nesse sistema. Ele cnverte uma prta USB cmum em um transmissr e receptr ZigBee. O módul utilizad nesse sistema é uma sluçã cmercial encntrada a venda n site O módul utilizad n sistema descrit nesse dcument é mstrad na figura 8. Figura 9: Prgrama X-CTU para cnfiguraçã d módul XBee 2.5 TOPOLOGIA DA REDE Redes ZigBee pssuem diversas tplgias, cm Árvre, Estrela e Malha. N presente prjet fi utilizad a tplgia Malha, u Mesh em inglês. Figura 8: Módul USB-ZigBee d site RgerCOM A grande vantagem d módul vendid pr este site estar n fat dele utilizar um módul XBee da Digi Internatinal. O módul XBee pssui uma fácil cnfiguraçã, 4 INFOBRASIL 2011 Figura 10: Tplgia da rede ZigBee utilizada n prjet

5 Este tip de tplgia fi adtada pr ser mais dinâmica. Ela se ajusta autmáticamente tant na inicializaçã cm na entrada u saída de dispsitivs da rede. Lg, essa tplgia é ideal para a aplicaçã devid a futuras implementações que pssam ser agregadas a prjet. 3 SISTEMA DE CONTROLE O sistema prpst funcina cm um cntrladr prprcinal e pssui diagrama de blcs mstrad na figura 11, lg abaix. Figura 11: Diagrama de Blcs d sistema prpst A temperatura d ambiente é ajustada a cada nva varredura d sistema, prtant a temperatura nunca será a desejada, pis sempre existirá um pequen err inerente a tds s sistemas prprcinais. Entretant, para ambientes dméstics, esse err é imperceptível fazend cm que nã haja necessidade de um sistema de cntrle mais rbust. 4 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS Existe um enrme esfrç n mund para trnar cnsum de energia mais cnsciente e reduzir disperdícis. Entretant, muits prjets existentes buscam atingir esses bjetivs em industrias e/u centrs cmerciais. O cnsumidr dméstic tem pucas pções para reduzir seus gasts energétics. O presente prjet é vltad para cnsumidres dméstics e cm a pçã de nã necessitar de nenhuma mdificaçã n equipament d cliente que é alg rar quand se trata de autmaçã dméstica. O cntrle eficiente ds aparelhs de ar cndicinad gera uma reduçã de energia elétrica imediata para cnsumidr. Os trabalhs futurs nesse prjet visam manter sistema acessível para usuári cmum sem necessidades de grandes intervenções em suas acmdações. Alguns das futuras implementações d sistema serã: Sensres de presença: cas nã exista ninguém n ambiente em que aparelh estar mesm seria desligad e cas entre alguém n ambiente aparelh é ligad autmáticamente; Medidres de energia mnfásics: permitiriam um melhr cntrle n cnsum de energia, esses medidres pderiam ser ligads em qualquer tip de aparelh cnsumidr de energia elétrica residencial; Cntrle de equipaments via internet: usuári pderia cntrlar seus equipaments de qualquer lugar d mund, cntant que ele pssua acess a internet. Seria criad um servidr na WEB para gerenciament ds equipaments. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA LUNA, M. F. Fernandes. Cntrle Inteligente para Autmaçã Predial. Mngrafia (graduaçã) Curs de Engenharia Mecatrônica, Faculdade de Tecnlgia, Universidade de Brasília, Brasília. 2010; PEREIRA, Renée. Desperdíci de energia chega a R$ 16 bi pr an. ESTADÃO, Sã Paul, SP, 12 jan. 2010; MELO, T. B.; CARDOSO, Klecius. Sistema de Gerenciament Pessal d Cnsum de Energia Elétrica, IX ENICIT, Frtaleza, 2009; MELO, T. B. ; CARDOSO, Klecius. Rede de Cmunicaçã de Dads Sem Fi para Mediçã d Cnsum Residencial de Energia Elétrica. IV CONNEPI, Belém-Pará, 2009; LUIZA DALMAZO, A rede elétrica inteligente. Revista Exame, agst The Green Grid: Energy Savings and Carbn Emissins Reductins Enabled by a Smart Grid, EPRI Technical Update Reprt , June MELO, T. B. ; LIMA, J. S. ; CARDOSO, Klecius. Sistema de Gerenciament Pessal d Cnsum de Energia Elétrica. III INFOBRASIL, Frtaleza, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS STD Part 11: Wireless LAN MediumAccess Cntrl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specificatins Higher-Speed Physical Layer Extensin in the 2.4 GHz Band. September 1999 FARAHANI S., ZIGBEE WIRELESS NETWORKING, Oxfrd: Elsevier; 2008; EADY F., Hands-On ZigBee. Oxfrd: Elsevier; 2007; MICROCHIP. Datasheet: PIC16F87XA 28/40/44-Pin Enhacend Flash Micrcntrllers. Publicaçã Eletrônica, 2003; NATIONAL SEMICONDUCTOR. Datasheet: LM35 Precisin Centigrade Temperature Sensrs. Publicaçã Eletrônica, nvembr de 2000; DALLAS SEMICONDUCTOR. Datasheet: DS1302 Trickle Charge Timekeeping Chip. Publicaçã Eletrônica; DIGI INTERNATIONAL. Datasheet: XBee Multipint RF Mdules Embedded RF Mdules Fr OEMs. Publicaçã eletrônica, 2008; MESSIAS, Antôni Rgéri. Cntrle remte e aquisiçã de dads via XBee/ZigBee (IEEE ). Dispnível em: < acessad em 15 de març de 2011; OGATA, Katsuhik. Engenharia de cntrle mdern. 2. ed. Ri de Janeir: Prentice Hall. INFOBRASIL