UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU ANDRÉ LUÍS BARROSO ALMEIDA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU ANDRÉ LUÍS BARROSO ALMEIDA DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SEM FIOS E MICROCONTROLADO DE MEDIÇÃO INTELIGENTE DE ENERGIA ELÉTRICA PARA CARGAS RESIDENCIAIS MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Ouro Preto, 2011

2 ANDRÉ LUÍS BARROSO ALMEIDA DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SEM FIOS E MICROCONTROLADO DE MEDIÇÃO INTELIGENTE DE ENERGIA ELÉTRICA PARA CARGAS RESIDENCIAIS Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Agnaldo José da Rocha Reis Ouro Preto Escola de Minas UFOP 07/2011

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4 A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original Albert Einstein

5 AGRADECIMENTOS Agradeço aos meus pais por disponibilizarem meios para a realização deste trabalho. Às minhas irmãs, Andréia e Adriana, pelos conselhos. Agradeço ao meu orientador por sempre me incentivar, mesmo quando nada parecia estar dando certo, pelas boas conversas e orientações, sempre disposto a me atender e ajudar a solucionar os problemas. Foi uma honra trabalhar com esse exemplo de profissional. Agradeço a minha namorada, Lorena, pelas revisões e conselhos não importando o horário, nem local do dia ou da noite. A todos os meus colegas de classe, que sempre estavam dispostos a me ajudar. Aos membros da república Nóstravamus. Emerson, Mafalda e Hugo Rafael amigos para todas as horas.

6 RESUMO A demanda de energia cresce drasticamente, acompanhado o crescimento econômico e tecnológico do mundo. Essa nova demanda está pressionando as concessionárias de energia elétrica a aumentar a geração de forma sustentável. O problema é que as fontes de energia que respeitam o meio ambiente ainda estão em desenvolvimento. Uma das formas para minimizar o crescimento da demanda é reduzir o desperdício de energia. Esse trabalho propõe criar um equipamento fundamental em todas as novas técnicas de redução de energia testados no mundo, o smart meter. O equipamento desenvolvido nesse trabalho foi dividido em dois módulos, o sensor e o central, onde o sensor adquire as grandezas de tensão e corrente e os envia para o módulo central via protocolo MiWi P2P. O módulo central recebe os dados e os envia via USB para o microcomputador onde um programa desenvolvido em C# trata os dados e os mostra ao usuário. Palavras-chave: Smart meter, Miwi P2P, USB.

7 ABSTRACT The demand for energy rises dramatically, accompanied by the world s economic and technological growth. This new demand is pushing energy companies to increase electricity generation in a sustainable manner. The problem is that the forms of power generation that are environmentally friendly are still in development. An alternative to minimize the growth of demands is to reduce energy waste. This paper proposes the creation of a new key equipment for all new energy reduction techniques tested in the world, the Smart Meter. The equipment developed in this work was divided into two modules, the sensor and the central. The sensor acquires the voltage and current magnitudes and sends them to the central module via MiWi P2P protocol. The central module receives the data and sends it via USB to the PC where a program developed in C # treats the data and shows it to the user. Keywords: Smart meter, MiwiP2P, USB.

8 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Objetivo Geral Objetivos Específicos Justificativa do Trabalho Metodologia Proposta Estrutura do Trabalho SMART METERING: DEFINIÇÕES E EXPERIÊNCIAS ANTERIORES Definições Smart meter Smart metering Experiências Brasileiras Ampla Eletropaulo Experiências Européias Reino Unido Alemanha INSTRUMENTAÇÃO PARA MEDIÇÃO DE ENERGIA E A COMUNICAÇÃO SEM FIO Sensor de tensão Sensor de Corrente ACS Microcontrolador da família PIC PIC18F Comunicação MiWi P2P DESENVOLVIMENTO Módulo Sensor Aquisição dos dados Tratamento dos dados Módulo central Software do Microcontrolador Software do Microcomputador Comunicação CONCLUSÕES REFERÊNCIAS APÊNDICES APÊNDICE A PROCEDIMENTOS MAIN(), INITIALIZESYSTEM(), USERINIT() DO MÓDULO SENSOR... 66

9 APÊNDICE B PROCEDIMENTOS MAIN(), PROCESSIORAM(), DO MÓDULO CENTRAL... 67

10 1 INTRODUÇÃO A demanda por energia está crescendo drasticamente acompanhando o crescimento da população mundial e da economia. Porém, a capacidade de gerá-la não vem acompanhando essa taxa de crescimento. As concessionárias de energia elétrica estão sobre pressão para acompanhar essa demanda e ao mesmo tempo produzir energia de fontes sustentáveis (TROWLER, WHITAKER, 2008). Em todo mudo, países como o Brasil, Estados Unidos, Canadá, Austrália, Rússia e outros estão investindo em pesquisas para buscar novas fontes de energia, modernizar as atuais e reduzir o desperdício para evitar que em um futuro próximo tenhamos a falta de abastecimento, os famosos apagões (TROWLER, WHITAKER, 2008). A infraestrutura de monitoramento do uso da energia (consumo) não acompanhou o desenvolvimento tecnológico, estando baseado nos mesmos princípios há décadas, onde é necessária a visita de um funcionário da concessionária em cada residência para coletar o consumo. Com a necessidade de se reduzir o desperdício e melhorar o controle sobre o consumo, novas formas de monitorar o consumo estão sendo desenvolvidas e testadas em todo o mundo (Figura 1.1). Entre elas, se destacam: AMR Automatic Meter Reading (Leitura de Medidor Automática) Sistema que acaba com a necessidade da visita do funcionário da concessionária ao consumidor, onde o medidor envia os dados do consumo direto à concessionária, possibilitando maior flexibilidade na forma de taxação que poderá ser anualmente, mensalmente ou até diariamente. Outro benefício é a maior compreensão do consumo. (APTEL, 2009) AMI Automatic Meter Infrastrutura (Infraestrutura de Medição Automática) Sistema similar ao AMR, porém ele não só efetua a leitura e o envia a concessionária; seus medidores são dotados de novas tecnologias de hardware e software que o tornam capaz de mensurar, ler e analisar o consumo de energia e prover de maneira fácil o acesso a essas informações, tanto para a concessionária quanto para o consumidor. Esse tipo de informação de tempo em tempo possibilita uma ação em prol da redução do desperdício pelo consumidor. (M&C ENERGY, 2011)

11 11 AMM Automatic Meter Management (Gerenciamento de Medidor Automático) Este sistema é uma extensão do AMI. O diferencial é que ele tem a capacidade de ajudar o consumidor a gerenciar o consumo, visando sempre reduzir o desperdício e obter maior eficiência energética. (M&C ENERGY, 2011) Figura Distribuição mundial do emprego de AMR, AMI, AMM. Marcadores vermelhos - Sistemas medidores de energia elétrica. Marcadores verdes e azuis Sistemas medidores de gás e água, respectivamente. Fonte: (Maps..., 2011). Os programas citados acima são baseados em um processo altamente automatizado da leitura à cobrança do consumo conhecida também com smart metering. O principal componente do smart metering é o medidor de consumo, que atualmente adota-se o termo smart meter para referenciá-lo devido a algumas características especiais como, por exemplo, o uso de novas tecnologias de comunicação, dinamismo em obter e disponibilizar os dados, entre outras. Os smart meters são desenvolvidos por um seleto grupo de empresas e em muitas vezes seu preço é bastante elevado. É nesse contexto que se insere este trabalho. Aqui se propõe o desenvolvimento de um smart meter capaz de mensurar, ler e enviar os dados via porta USB ao consumidor, dando um retorno do consumo em tempo real. O projeto foi dividido em dois módulos. O primeiro módulo denominado de sensor será responsável pela aquisição dos dados e envio dos mesmos ao segundo módulo, o qual será tratado como módulo central. Para se medir o consumo, duas grandezas físicas são fundamentais; a tensão e a corrente na linha. Existem várias alternativas para mensurar essas variáveis como, por exemplo, a

12 12 utilização de um resistor de baixa resistência conhecida (Shunt), transformadores, arranjos de resistores e o sensor de efeito hall. Para mensurar a corrente na linha nesse trabalho foi utilizado um sensor de efeito hall comercial da Alegro, o ACS712, que usa o fenômeno do surgimento de uma diferença de potencial (Vhall) em um condutor elétrico, transversal ao fluxo de corrente (Ibias) e um campo magnético perpendicular a corrente como vemos na figura 1.2. (Wikipédia, a enciclopédia livre, 2011) Figura Efeito Hall, Indução de VHALL, resultado do fluxo magnético (setas verdes) perpendicular a corrente Ibias. Fonte: (Allegro MicroSystems, Inc., 2011). Para mensurar a tensão, uma grandeza que não apresenta uma grande variação em residências, foi adotado um simples divisor de tensão (Figura 1.3) para normatizar os valores em um padrão aceito pelo módulo A/D do microcontrolador. Figura Divisão da tensão entre os resistores R1 e R2, reduzindo a tensão a um valor aceito pelo microcontrolador. A tensão e a corrente mensuradas das maneiras descritas acima são tratadas pelo microcontrolador que envia os dados resultantes via rede sem fio ao módulo dois que se encarrega de tratar, analisar e disponibilizar ao consumidor os valores do consumo do equipamento ligado ao módulo 1. Podemos ver uma representação dos módulos na figura 1.4.

13 13 Módulo Sensor Módulo Central Grupo Figura Esquema do smart meter desenvolvido. 1.1 Objetivo Geral Desenvolver o hardware e o software de um smart meter, equipamento capaz de mensurar, ler e disponibilizar o consumo de energia usando as mais modernas tecnologias de comunicação, buscando sempre auxiliar a redução do desperdício, obtendo cada vez mais a eficiência energética. 1.2 Objetivos Específicos Pesquisar novas tecnologias de medição de energia; Pesquisar novas tecnologias de comunicação; Desenvolver o Hardware necessário para o funcionamento do sistema; Desenvolver o Software necessário para o funcionamento do sistema. 1.3 Justificativa do Trabalho No começo da segunda década do século XXI, nos deparamos com um grande problema em mãos: preservar o pouco que nos resta do meio ambiente e ao mesmo tempo continuar o desenvolvimento econômico. Uma grande limitação no desenvolvimento sustentável é o fornecimento de energia, que deve ser gerado de uma maneira ecologicamente correta e em grande quantidade para acompanhar a crescente demanda. Incidentes como o de Chernobyl e atualmente o de Fukushima demonstram que a energia nuclear não é a solução. As termoelétricas produzem grandes quantidades de CO 2, as hidrelétricas devastam várias áreas e

14 14 dependem da quantidade de chuva, e as outras fontes renováveis ainda estão em desenvolvimento. Uma maneira de tentar reduzir esse problema consiste em investir na redução dos desperdícios de energia. Das várias políticas de redução do desperdício, a maioria se baseia na utilização do smart meter, um medidor capaz de mensurar e analisar o consumo instantâneo e fornecer esse dado em tempo real para o consumidor que pode de maneira ativa atuar em seus dispositivos visando acabar com o desperdício. Neste trabalho desenvolve-se o hardware e software de um smart meter, capaz de mensurar o consumo de energia e enviá-lo via rede sem fio para uma central onde o consumidor possa consultar e tomar as decisões mais sábias para reduzir o desperdício. 1.4 Metodologia Proposta No desenvolvimento do hardware foi usado o programa Isis Proteus 7.7, Labcenter Eletronics Release 7.7 SP2 Build 9089 e o programa Eagle Applicable Graphical Layout Editor, Version Windows, CadSoft para desenhar e simular o comportamento do sistema em ambos os módulos. O módulo 1 foi divido em duas partes; a parte de aquisição dos dados e a parte de tratamento e envio dos mesmos. A parte de aquisição dos dados usa o CI ACS712 para obter os valores de corrente. Esse CI se baseia em um fenômeno físico que foi descoberto em 1879, o efeito Hall (Wikipédia, a enciclopédia livre, 2011), que é o surgimento de uma tensão perpendicular ao sentido da corrente no condutor usado. O valor dessa tensão gerada passa por amplificadores e por um filtro interno passa baixa e é disponibilizada em um pino de saída do CI tendo seu valor proporcional à corrente de linha. (ALLEGRO MICROSYSTEMS, INC., 2010) Para aquisição dos dados de tensão utiliza-se um circuito vastamente conhecido, o divisor de tensão, que tem como única função colocar a tensão lida em valores aceitos pelo microcontrolador, que são de 0 a 5 V. Depois de cálculos do valor do resistor, foi adotado um resistor de 820KΩ e um de 6,6KΩ e para colocar no padrão, de 0 a 5 V, foi adotado um circuito somador para elevar o offset. Na parte de tratamento de dados, a tensão de saída do sensor de corrente é ligada em um dos canais do conversor A/D do microcontrolador e o sensor de tensão é ligado em outro canal. Usando o compilador C18 da Michochip, o microcontrolador é programado para enviar os dados a central.

15 15 O módulo central recebe os dados enviados pelo módulo sensor e os envia via porta USB para o microcomputador onde um sistema desenvolvido em C# fica responsável por tratar os dados utilizando as análises descritas no tópico e fornecer ao usuário meios de visualizar esses dados. 1.5 Estrutura do Trabalho Este trabalho foi dividido em 5 capítulos. O primeiro capítulo apresenta uma breve introdução do trabalho, já no segundo são descritas as definições de smart meter e smart metering fundamentais para o entendimento do trabalho, além das experiências do uso do smart meter em alguns países. No capítulo 3 são apresentadas técnicas para medição das grandezas tensão e corrente, dados sobre o microcontrolador PIC18F2550 e sobre a comunicação sem fio via protocolo MiWi P2P. No capítulo subsequente são apresentadas as etapas de desenvolvimento do smart meter e seus resultados. Por fim, o capítulo 5 foi dedicado as conclusões e considerações finais.

16 2 SMART METERING: DEFINIÇÕES E EXPERIÊNCIAS ANTERIORES 2.1 Definições Smart meter Os utilitários de medição estão passando por uma evolução que teve início com a substituição dos medidores mecânicos e eletromecânicos por medidores eletrônicos. Esses medidores eletrônicos combinados com as novas tecnologias de comunicação de baixo custo estão trazendo uma abordagem completamente nova para a medição. Essa abordagem é conhecida como smart metering, um assunto que vem chamando atenção em todo o mundo. Uma das grandes vantagens da smart metering é a capacidade de fornecer ao usuário informações que os permitam reduzir o seu consumo de energia (KOPONEN, SACO, et al., 2008). Smart meter, digital meter, intelligent meter, electronic meter são nomes para o mesmo equipamento e sua utilização é uma questão de preferência. Porém, o termo smart meter se tornou o mais utilizado e preferido pela comunidade de desenvolvedores e comunidade científica (The Green Difference, 2011). Ainda não existe uma definição do que é o smart meter e sim conjecturas. Segundo Mark England da Sentec Sound, smart meter tem que ter duas formas de comunicação, um display de consumo e uma função liga e desliga. (The Green Difference, 2011) Van Gerwen e colaboradores (2006) definem smart meter como um equipamento capaz de: Registrar em tempo real, ou próximo do real, o uso da eletricidade e a possibilidade de sua geração; Oferecer a possibilidade de ler as informações no local ou remotamente; Conectar com dispositivos pré-definidos; Ser hábil em ler outros consumos como água e gás; Limitar o consumo pelo smart meter (em casos extremos cortar o fornecimento de energia). Um exemplo de um smart meter típico segundo Gerwen e colaboradores (2006) pode ser observado na Figura 2.1.

17 17 Figura Esquema superficial de uma configuração típica do smart meter Fonte: (GERWEN et al., 2006). Entretanto, a definição de Koponen e colaboradores (2008), não é tão específica quanto a dos os outros autores citados. Os autores definem que um smart meter esteja implicado na inclusão de um processamento de dados e seu armazenagem para vários propósitos como, por exemplo: Monitorar se o smart meter está instalado e funcionando corretamente; Atualizar o smart meter remotamente; Comunicação com o smart meter usando protocolos padrões; Medição de vários sensores (eletricidade, gás, água, temperatura); Cálculo e monitoramento da qualidade da energia; Leitura automática do consumo para gerar faturas e para análise do usuário final; Prover em tempo real os dados do consumo para os interessados (concessionária, usuário final); Administrar a tarifação.

18 18 O Smart meter foi mencionado na literatura nos anos 90, (ALMEIDA, VINE, 1994) e (KOPONEN, SEESVUORI, BOSTMAN, 1996). Para ALMEIDA, VINE (1994), as seguintes capacidades são consideradas necessárias: Duas formas de comunicação; Tarifação, previsão de demanda; Tempo de aquisição programado; Gestão de tarifação (Tarifação dinâmica, medição do consumo remoto, impressão digital da conta); Controle de consumo; Informação do consumo disponível para o usuário; Monitora a qualidade da energia fornecida Smart metering Smart metering recentemente vem atraindo muita atenção. Muitos países como os membros da União Europeia, Estados Unidos, Brasil e outros estão envolvidos em projetos com o smart metering em escala de demonstração (GERWEN et al., 2006). Não há um consenso na definição do smart metering. Em prol de um entendimento, uma definição foi criada pela European Smart Metering Aliance (ESMA), segundo esta entidade, Smart metering tem as seguintes características: Processamento, transferência, gerenciamento e utilização dos dados medidos; Gerenciamento automático dos medidores (Smart Meter); Duas formas de comunicação com o medidor (Smart Meter); Promover meios de comunicação que deve informar ao consumidor ações relevantes do sistema incluindo o consumo de energia; Suportar serviços relacionados à eficiência energética no consumo e os sistemas das companhias geradoras, de transmissão e distribuição. Podemos tratar smart meteiring como sinônimo próximo do programa AMI. A United States Federal Regulation Commission (FERC) definiu AMI como: Sistema avançado de medição

19 19 que grava o consumo (possibilidade de gravar outros parâmetros) de hora em hora ou com mais frequência e provê diariamente ou mais frequentemente os dados transmitidos (KOPONEN et al., 2008). Uma infraestrutura típica do smart meter pode ser observada na Figura 2.2 (KOPONEN et al., 2008). Figura Infraestrutura típica do smart meter Fonte: (KOPONEN et al., 2008) 2.2 Experiências Brasileiras Assim como diversos países, o Brasil, com cerca de 63,5 milhões de unidades consumidoras atendidas em baixa tensão (ANEEL, 2009), vem conduzindo diversos projetos em pequena escala para testar os prós e os contras do uso dessas novas tecnologias de medição de energia Ampla No Brasil a distribuidora Ampla apresenta o caso de maior destaque nas experiências com medição eletrônica (LAMI, 2009). Segundo dados da empresa, a Ampla em 2008 atendeu cerca de 2,4 milhões de unidades consumidoras em 66 municípios do estado de Rio de Janeiro (AMPLA ENERGIA E SERVIÇOS S.A., 2008). A implantação da medição eletrônica pela empresa Ampla veio como medida mitigadora às perdas não técnicas (furto de energia, fraude e a inadimplência), nas áreas atendidas pela empresa (LAMI, 2009).

20 20 O medidor implantado realiza medição individual do consumo de energia ativa de cada consumidor e envia esses dados a uma central, permitindo que ocorra o faturamento à distância. Além dessa funcionalidade foi incorporada ao equipamento a função de corte e ligamento remoto e a possibilidade de diferentes modos de tarifação como, por exemplo, a tarifação diferenciada pelo horário de utilização. (LAMI, 2009) Os resultados nos testes feitos pela empresa Ampla da utilização da tecnologia de medição eletrônica foram extremante positivos. A Figura 2.3 ilustra a evolução das perdas não técnicas no período de 2003 até agosto de 2008, ressaltando que a empresa Ampla utilizou também um sistema de detecção de violação do medidor através de sensores chamado Sentinela e de outras medidas. (LAMI, 2009) Figura Evolução das perdas não técnicas na área de concessão da Ampla Fonte: (AMPLA ENERGIA E SERVIÇOS S.A., 2008) Eletropaulo Uma das principais distribuidoras do país, a Eletropaulo atende cerca de 5,5 milhões de unidades consumidoras em 24 municípios do estado de São Paulo. A implantação piloto do sistema de medição eletrônica utilizando a tecnologia AMR iniciou-se em 2003 com a instalação de smart meters e dispositivos de comunicação possibilitando o faturamento remoto e permitindo o corte e religação remota (LAMI, 2009). Em unidades consumidoras de baixa tensão, até setembro de 2008, tinham sido instalados cerca de 28 mil medidores e todos os medidores instalados tem a capacidade de medição de energia ativa, faturamento de energia reativa, registros em intervalos de 5 minutos, memória

21 21 de 37 dias e comunicação serial. Outro teste em andamento é do projeto Cash Power que permitem o faturamento na modalidade pré-pagamento. A Arquitetura dos sistemas instalados pode ser observada na figura 2.4 (ELETROPAULO METROPOLITANA ELETRICIDADE DE SÃO PAULO S.A, 2008). Figura Arquitetura Centro de Medição Fonte: (ELETROPAULO METROPOLITANA ELETRICIDADE DE SÃO PAULO S.A, 2008) 2.3 Experiências Européias Na Europa a instalação de sistema de smart metering já está bem difundida em diversos países, tendo exemplo de início de implantação já no final da década de 90. Em alguns países da União Europeia a instalação foi uma determinação do governo, já em outros a instalação foi uma iniciativa das próprias companhias distribuidoras (LAMI, 2009) Reino Unido Em Julho de 2010, o governo do Reino Unido publicou um prospecto da utilização do uso do sistema de smart metering tanto para gás quanto para eletricidade. Esse documento representa a visão do Departamento de Energia e Mudanças Climáticas (DECC) e da Autoridade de Mercado de Gás e Energia (GEMA). Em meados de trinta de março de 2011, o governo

22 22 lançou outro documento contendo as respostas para as perguntas surgidas no primeiro documento (DEPARTAMENT OF ENERGY AND CLIMATE CHANGE, 2011). A segurança do abastecimento, a diminuição da emissão de carbono e a capacidade de manter um preço acessível são as chaves do desafio que estão dirigindo as politicas ambientais e energéticas. O sistema de smart metering possibilita uma mudança de comportamento dos consumidores e facilita a completa automatização dos sistemas de geração, distribuição e fornecimento de energia (DEPARTAMENT OF ENERGY AND CLIMATE CHANGE, 2011). A implantação do sistema de smart metering será um das maiores e mais complexas mudanças feitas pela indústria energética do Reino Unido. Isso representará um desenvolvimento significante no processo, que deve demorar por volta de 20 anos (DEPARTAMENT OF ENERGY AND CLIMATE CHANGE, 2011). Aproximadamente 53 milhões de medidores terão que ser substituídos, envolvendo a visita de mais de 30 milhões de casas e empresas. Os novos smart meters irão substituir os atuais medidores eletromecânicas. O governo do Reino Unido estima que a despesa total nesse processo deva beirar os 11,3 bilhões de euros (DEPARTAMENT OF ENERGY AND CLIMATE CHANGE, 2011). A companhia distribuidora Energy Association (ERA) vem trabalhando no sistema de smart metering já há algum tempo e iniciou um projeto formal em setembro de 2006 para implantar o sistema de smart metering. A primeira fase do projeto foi determinar as necessidades requeridas para a implantação do sistema, que é focado em consumidores domésticos. (ENERGY RETAIL ASSOCIATION, 2007) Alemanha Igual ao ocorrido no Reino Unido, no setor elétrico alemão os serviços de medição estão sob o regime de livre concorrência. Assim, os serviços de instalação, operação e manutenção de medidores de energia elétrica são abertos, cabendo às distribuidoras executarem as leituras dos equipamentos e gerenciar os dados (LAMI, 2009). Na Alemanha existe um projeto da empresa distribuidora de energia a gás, Yello Strom, e da empresa Microsoft, que pretende instalar em todo seu mercado, que compreende cerca de 1,4 milhões de consumidores de energia e gás, o smart meter. Já a empresa RWE, iniciou um projeto piloto que pretende instalar por volta de unidades de smart meter em

23 23 consumidores residenciais com o objetivo de desenvolver um smart meter com padrão aberto, que pode funcionar em todos os programas de faturamento e também integrar a medição de água e gás (LAMI, 2009). Uma das empresas com projeto piloto é a EnBW com mil unidades consumidoras com o smart meter que informa ao consumidor o seu consumo, disponibilizando esses dados em um display ou via conexão com o computador (Maps, 2011).

24 3 INSTRUMENTAÇÃO PARA MEDIÇÃO DE ENERGIA E A COMUNICAÇÃO SEM FIO Para se medir a energia elétrica, é preciso analisar qual será o método escolhido para realizar a medição das grandezas envolvidas. Existem vários métodos de medição de energia e uma gama variada de sensores (SOUSA, 2009). Um dos protótipos encontrados na literatura é de (SILVEIRA, ALMEIDA, ABREU, 2006) que desenvolveram um protótipo para medição em ambientes que possuem sinais elétricos distorcidos e/ou assimétricos. O hardware do sistema de SILVEIRA, ALMEIDA, ABREU, 2006 é formado por: Placa de aquisição da National Instruments Inc., modelo NI6024E; Sensores de corrente modelo LA100P que usa o Efeito Hall para converter os sinais de corrente em tensão; Sensores de tensão do modelo LV 25P/SP2 que usa o Efeito Hall para reduzir a tensão da rede em um padrão aceito pelo placa de aquisição. O tratamento dos dados foi desenvolvido utilizando o programa LabView7, que executa a aquisição dos dados de corrente e tensão, calcula os valores Root Mean Square (RMS), calcula a distorção harmônica, calcula os valores de potência, o fator de potência e o valor de consumo. LOSS et al., (1988), desenvolveram um protótipo para medir energia elétrica que usa um microcontrolador da família PIC. O medidor disponibiliza os dados do consumo em um display. Ele é dotado de um sistema que grava os últimos dados lidos para que em caso de desenergização não se percam os dados. 3.1 Sensor de tensão Na maioria dos circuitos de tratamento de dados não é possível ligar o sinal de tensão diretamente neles devido à incompatibilidade de níveis de tensão do sinal com o nível de tensão do sistema que irá tratar os dados. Para contornar esse fator é preciso um sensor capaz de padronizar os valores de tensão adquiridos em uma faixa de valores aceitos pelo sistema de processamento. A seguir apresentam-se algumas das técnicas usadas para fazer essa padronização de tensão (TROWLER e WHITAKER, 2008).

25 25 Transformador de medida (figura 3.1): destina-se a redução das grandezas de tensão ou corrente elétrica. É um transformador onde o primário é ligado ao circuito a qual se deseja medir e o secundário é ligado no circuito de medição. A padronização é feita ajustando a relação de espiras do primário com a do secundário,, onde r é a razão de transformação, N1 quantidades de espiras no primário e N2 a quantidade de espiras do secundário. Essa relação de espiras é a mesma entre a tensão aplicada no primário e a tensão de entrada no secundário a1 a2 a3 a4 0 Vcc1 b1 b2 b3 b Figura Transformador de Medida. Divisor de tensão (Figura 3.2): Apesar de ser uma alternativa simples e barata, o divisor de tensão é extremamente eficaz para adequar um sinal de tensão. O circuito reduz a tensão de entrada Vin através de associação de dois ou mais resistores em série, conforme mostra a Figura 3.2. A redução da tensão se baseia na lei de ohm V=RxI e sua relação de redução pode ser observada na equação 3.1. I 0 Figura Divisor de Tensão ( ) ( ) Equação 3.1

26 26 ( ) 3.2 Sensor de Corrente Como a maioria dos sensores, o sensor de corrente transforma ou adequa o valor de corrente para um padrão capaz de ser interpretado pelo sistema de tratamento de dados. Existem várias técnicas usadas para montar esses tipos de sensores, algumas estão listadas abaixo: (TEIXEIRA, 2009) Transformador de Corrente (TC): É um dispositivo que transforma a corrente que circula em um enrolamento primário, usando como princípio de funcionamento a indução eletromagnética, que gera uma corrente no secundário (Figura 3.3). Os TCs fornecem uma corrente proporcional às medidas no circuito primário. A vantagem é que existe um isolamento galvânico proporcionando uma proteção física para o equipamento (FILHO, 1997). Figura Transformador de Corrente (TC) Fonte: (Nova Eletrônica, 2011) Resistor Shunt (Figura 3.4): O processo mais utilizado para medição de corrente elétrica. Ele introduz uma resistência de valor conhecido e baixo em série com o circuito. A intensidade de corrente é obtida usando a lei de Ohm (Equação 3.2) tomando como base a queda de tensão medida na resistência. O inconveniente desse método é o aquecimento do resistor no caso de grandes valores de corrente e inexistência de uma proteção para o sistema de leitura da tensão do resistor. (TEIXEIRA, 2009) ( ) ( ) Equação 3.2

27 27 Figura Resistor Shunt Bobina de Rogowski (Figura 3.5): Uma alternativa segura para medir a corrente elétrica é o uso da bobina de Rogowski. Essa bobina consiste de um núcleo toroidal, não magnético, que é colocado em torno do condutor. O Campo magnético produzido pela corrente alternada no condutor induz uma tensão na bobina. (HIGASHI, 2006) Figura 3.5 Bobina de Rogowski Fonte: (HIGASHI, 2006) Sensor de efeito Hall (Figura 3.6): O elemento mais básico do sensor de efeito Hall é um pedaço de um material semicondutor que, ao se aplicar uma fonte de tensão uma corrente passará por ele e quando um campo magnético perpendicular passa pelo material semicondutor, uma tensão nas extremidades do comprimento do semicondutor é gerada. A tensão de saída do elemento hall é extremamente pequena sendo necessário que um amplificador de corrente contínua (DC), de alta qualidade, seja inserido no dispositivo.

28 28 Figura Sensor de Efeito HALL Fonte: Peo Pedersen ACS712 Para o desenvolvimento do protótipo proposto, foi utilizado um circuito integrado (CI) comercial da Alegro por apresentar boa linearidade, um isolamento satisfatório entre a parte de potência e a parte de tratamento de dados e tamanho reduzido em um encapsulamento SOIC8 (ALLEGRO MICROSYSTEMS, INC., 2010). O CI Alegro ACS712 (Figura 3.7) provê uma solução com um ótimo custo benefício para medir correntes alternadas e contínuas para a indústria, comércio e telecomunicação. Aplicações típicas desse sensor incluem: controle de motores, sensores de sobrecorrente, sensores de consumo entre outros. Abaixo, alguns dos benefícios e características desse CI listadas em seu datasheet: Baixa interferência; Alta velocidade da resposta, 5µs; Erro de 1,5% a temperatura de 25 C; Tamanho reduzido;

29 29 1,2 mω de resistência interna do condutor; 2,1 kvrms de isolação de tensão entre os pinos 1-4 para os pinos 5-8; Sensibilidade da saída de 66 a 185 mv/a. Figura ACS712 Fonte: (ALLEGRO MICROSYSTEMS, INC., 2010) O ACS712 apresenta um isolamento elétrico entre os pinos de potência (1, 2, 3, 5) para os pinos de 4 a 8, o que permite que o CI possa ser usado em aplicações onde esse isolamento é necessário, sem o uso de um isolante óptico ou outro dispositivo de isolamento (ALLEGRO MICROSYSTEMS, INC., 2010). O CI ACS712, para funcionar como sensor de corrente, deve ser ligado em série com a carga. Podem-se ligar os pinos 1 e 2, que estão eletricamente conectados à carga ou os pinos 3 e 4 que também estão eletricamente conectados. Escolhidos quais os pinos serão conectados à carga, os outros dois devem ser conectados de maneira a fechar o circuito. Uma corrente que percorre os pinos 1, 2, 3 e 4 como mostram as setas azuis na Figura 3.8 gera um campo magnético, em vermelho, na pastilha de efeito hall representada pela cor verde. Utilizando o conceito do efeito hall, uma tensão nas extremidades da pastilha é gerada e amplificada dentro do CI de forma a fornecer a saída ( ) no pino 7.

30 30 Figura Funcionamento do CI ACS712 Fonte: (Allegro MicroSystems, Inc., 2011) 3.3 Microcontrolador da família PIC O atual desenvolvimento tecnológico nas áreas de automação e robótica é fundamentado principalmente no desenvolvimento dos microcontroladores e processadores digitas (DSP) (SILVA, 2006). Esses dispositivos são pastilhas inteligentes, que têm um processador, pinos de entrada e saída e memória. Nos dias atuais eles estão cada vez mais presentes na nossa vida. Segundo dados da National Semiconductor, uma residência americana teria em 1997 em média 35 produtos baseados em microcontroladores e estima-se que este número deva crescer ainda mais (NATIONAL SEMICONDUCTOR, 1997). Diferente dos processadores encontrados nos computadores pessoais, que necessitam de vários periféricos para o seu funcionamento, os microcontroladores já dispõe internamente de diversos periféricos que possibilitam uma interface com o ambiente externo. Como exemplo, podemos citar as entradas e saídas digitais, os conversores analógico-digital e digitalanalógico, as memorias RAM e EEPROM, entre outros (KNOP, 2008). Devido à alta demanda por esse tipo de componente, um grupo de fabricantes se dispôs a fabricá-los introduzindo em suas linhas de produtos características únicas. Entre os fabricantes se destacam a Microchip, Texas, National, Hitachi, Sharp, Zilog, Intel e Motorola (SOUSA, 1999).

31 31 Este trabalho será focado na linha de microcontroladores PIC da fabricante Microchip que apresenta um ótimo custo beneficio, sendo composta por microcontroladores de 8 bits, 16 bits e 32 bits, com arquitetura moderna, memória flexível e facilidade no desenvolvimento (PEREIRA, 2010). A Microchip é uma empresa precursora no uso de tecnologia RISC (Reduced Instruction Set Computer) em microcontroladores. Diferentemente da arquitetura Von Neumann (CISC Complex Instruction Set Computer), a estrutura RISC é baseada em barramentos independentes para dados e para programa, sendo estes de tamanhos diferentes. Por exemplo, no PIC16C55X o barramento de dados é de oito bits, enquanto o de programa é de quatorze bits. Esse tipo de arquitetura permite que enquanto uma instrução é executada outra é buscada na memória (Pipeline), tornando o processamento mais rápido (MARTINS, 2005). Na linha de oito bits estão os micocrontroladores das séries PIC10 e PIC12 compostos por chip de até oito pinos. Esses apresentam memória e periféricos simplificados, porém o seu custo é bastante baixo. Por exemplo, o PIC10F200-I/P pode ser encontrado no mercado por R$ 1,82 (FARNELL NEWARK, 2011). Os microcontroladores dessa linha são recomendados para aplicações que não necessitam de um grande processamento (PEREIRA, 2010). Os microcontroladores da série PIC16 se baseiam nas arquiteturas doze e quatorze bits da Microchip e têm uma gama de produtos no mercado. Os chips com arquitetura de doze bits são oriundos do primeiro modelo (16C54), originalmente desenvolvido pela General Instruments (PEREIRA, 2010). Os microcontroladores PIC17 e PIC18 foram uma evolução para linha PIC. Utilizando instruções de dezesseis bits, novas instruções e um hardware mais completo, como por exemplo, pilha de hardware mais ampla, memória aumentada entre outros, esses dispositivos se tornaram uma opção para aplicações mais complexas (PEREIRA, 2010). A Microchip tem também os PIC24, PIC30 e PIC33, microcontroladores com fortes características de DSPs (Processadores digitais de sinais) com 16 bits de dados e 24 bits de instruções e são voltados para os mercados que necessita de um processamento rápido de sinais (PEREIRA, 2010). Os últimos lançamentos da Microchip foram os microcontroladores de 32 bits. Com grande capacidade de memória, processamento e periféricos avançados (USB 2.0, Ethernet etc.), essa linha completa os avanços da tecnologia atual, estando voltados para projetos de grande

32 32 complexidade. Na Figura 3.9, pode-se observar um gráfico de funcionalidade versus desempenho dos microcontroladores da família PIC. Figura 3.9 Funcionalidade versos Desempenho da família PIC da Microchip Fonte: (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2011) PIC18F2550 O PIC18F2550 é um microcontrolador que apresenta todas as características de hardware da linha de 16 bits família PIC18 (Figura 3.10), alto desempenho a um preço acessível. Porém novas melhorias foram acrescentadas a esse dispositivo como, por exemplo, a tecnologia NanoWat que reduz o consumo de energia durante a operação. Comparando com os outros da mesma família o PIC18F2550 se tornou um opção lógica a vários projetos de alto desempenho e que necessitem de um baixo consumo (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009).

33 33 Figura 3.10 Arquitetura em Bloco do PIC 18F Fonte: (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2011) O microcontrolador escolhido para compor o smart meter no módulo sensor é o PIC18F2550, cuja principal característica de seleção desse dispositivo foi a possibilidade de comunicação via USB, que facilita o desenvolvimento e o teste do sistema, o baixo consumo de energia, pois utiliza a tecnologia NanoWat e seu tamanho reduzido com somente 28 pinos (Figura 3.11). Ele inclui uma CPU PIC18, além de 32KB de memória flash, 2,048 de memória RAM e 256 bytes de memória EEPROM (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009). Figura Relação de Pinos PIC18F2550/PIC18F2455 Fonte: (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2009)

34 Comunicação A comunicação é um dos itens mais importantes no equipamento smart meter, já que o sistema de comunicação associado ao instrumento de medição caracteriza a interação entre os dados adquiridos e os dados fornecidos ao consumidor. Sabendo que nessa área o progresso e as novidades são frequentes, parte dos fabricantes adota soluções em que o medidor e o sistema de transmissão de dados estão em módulos independentes construtivamente, o que possibilita a modernização do sistema de transmissão dos dados quando for necessário (LAMI, 2009) MiWi P2P Aplicações empregando redes sem fio são cada vez mais comuns. Existe uma grande expectativa de que dispositivos caseiros e/ou industriais possam se comunicar uns com os outros sem qualquer conexão física. O grande desafio é escolher o protocolo adequado e implementá-lo a um custo reduzido. (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2008) O protocolo de rede Miwi P2P é um protocolo simples, desenvolvido para taxas baixas de transmissão de dados, curtas distâncias e redes de baixo custo. Baseado no protocolo IEEE para redes WPAN (Wireless Personal Area Network), ele oferece uma alternativa fácil de se usar para a comunicação sem fio. Em particular, ele visa pequenas aplicações que possuem rede de pequeno porte, com poucos saltos entre os nós e que usam o transceivers MRF24J GHz, compatível com o protocolo IEEE (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2008). Características do Protocolo MiWi P2P: 16 canais no espectro 2.4 Ghz. Funciona com Microchip PIC18, PIC24, DsPIC33 e PIC32. Suporta os compiladores C18, C30 e C32. Função de detecção de energia que scaneia o canal com menor ruído. Função que detecta conexões existentes. Suporta o modo de segurança definido pela IEEE

35 35 O protocolo MiWi P2P define dois tipos de dispositivos, de acordo com as suas funções na rede: Coordenador PAN e End Device (Tabela 3.1) (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2008). Tabela Dispositivos do protocolo MiWi P2P. Adaptado de: (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2008) Tipo de Dispositivo Dispositivo IEEE Função Típica Coordenador PAN FFD Um por rede. Forma a rede, aloca endereços de rede, mantém tabela de conexão. End Device FFD ou RFD Realiza funções de monitoramento e controle Na configuração estrela, tem-se um Coordenador PAN e um ou mais End Devices (ED). Nesta rede, todos os EDs se comunicam apenas com o Coordenador PAN (Figura 3.12). Se um ED precisa transferir informações para outro ED, ele envia os dados para o Coordenador PAN, que, por sua vez, encaminha para o ED desejado (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2008). Figura Topologia estrela do protocolo MiWi P2P. Fonte: (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2008) Uma típica topologia de rede P2P é mostrada na figura Esta é a forma de configuração mais simples, com um dispositivo comunicando diretamente para outro (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2008).

36 Figura Topologia ponto a ponto do protocolo MiWi P2P. Fonte: (MICROCHIP TECHNOLOGY INC., 2008) 36

37 4 DESENVOLVIMENTO Nesse capítulo serão descritos todos os procedimentos que foram realizados durante o período de desenvolvimento do protótipo do smart meter. Todas as etapas da criação do hardware dos dois módulos, a aquisição dos dados, os cálculos realizados e os softwares desenvolvidos tanto para os microcontroladores quanto para o microcomputador. 4.1 Módulo Sensor Antes de dar início a esse projeto, um planejamento prévio foi realizado definindo que o desenvolvimento do smart meter seria dividido em dois módulos: sensor e central. O módulo sensor foi dividido em dois submódulos: A aquisição dos dados, que trata da parte exclusivamente de obtenção das grandezas corrente e tensão e da padronização do sinal e o módulo tratamento dos dados que interpreta os dados lidos e os envia para o módulo central Aquisição dos dados Uma das primeiras etapas do desenvolvimento foi analisar qual dos métodos para mensurar a corrente e a tensão, grandezas fundamentais para o cálculo do consumo, seria utilizado. Depois de uma pesquisa bibliográfica e análise das opções de sensores disponíveis no mercado, foi definido que o sensor de efeito hall, ACS712, séria utilizado devido às suas caraterísticas construtivas que isolam a parte de potência da parte de tratamento de dados, tamanho reduzindo e boa representação do sinal mensurado comparado com outros métodos como podemos observar na Figura 4.1. Figura Sinal de saída do ACS712 comparado com outro método Fonte: (Allegro MicroSystems, Inc., 2011).

38 38 Um dos empecilhos encontrados nessa etapa foi testar seu funcionamento já que seu encapsulamento é SOIC8 e não seria possível testá-lo usando o a matriz de contatos experimental. Para resolver esse problema, baseando-se nas aplicações padrões encontradas no datasheet do ACS712, foi desenvolvida uma Placa de Circuito Impresso (PCI) para os testes iniciais do sensor de corrente. Para desenvolver a PCI do ACS712, inicialmente se desenhou todo o circuito no programa Isis Proteus (Figura 4.2) o que possibilitou também realizar testes de respostas do circuito no próprio ambiente de desenvolvimento. Figura Sensor de Corrente ACS712 O diagrama foi transportado para o programa Ares Proteus Labcenter Eletronic , Release 7.7 SP2Build 9151 e montado o layout da PCI (Figura 4.3). O recurso 3D Visualization do software foi utilizado para se obter uma noção de como ficaria fisicamente a PCI (Figura 4.4).

39 39 Figura Layout 2D da placa de sensor de corrente. Figura Layout 3D da placa de sensor de corrente. O desenho da PCI, foi montado fisicamente para o teste de sensibilidade e integração com o sistema de tratamento de dados (Figura 4.5).

40 40 Figura Circuito do sensor de corrente montado Com a PCI e um sistema preliminar de tratamento de dados montados, foram realizados os testes de funcionamento do sensor de corrente. Durante essa fase alguns problemas foram encontrados, como por exemplo, a grande quantidade de ruídos que o sinal de saída (Vout) apresentava, o que introduziu um erro significativo na leitura dos dados de saída. Para exemplificar essa situação, podemos observar, na Figura 4.6, o ruído que Vout apresenta ligado a vazio, ou seja, sem nenhuma carga ligada entre os pinos 1-2 e 3-4 e na Figura 4.7 ligada a uma carga de 9 Watts. Outro possível problema encontrado foi a distorção da onda senoidal ao se ligar determinadas cargas como observado na Figura 4.8. Figura Vout do ACS712 ligado a vazio. Figura Vout do ACS712 ligado a uma carga de 9W.

41 41 Figura Vout do CS712 ligado a uma fonte de notebook. Para resolver o problema do ruído no Vout foi utilizado um recurso que o próprio CI ACS712 apresenta, o pino de filtro. Esse pino internamente conectado com uma resistência de 1,7 KΩ é um filtro passa-baixa quando se conecta um capacitor entre esse terminal e o terra. A Equação 4.1 foi utilizada para se obter o valor do capacitor para a frequência de corte de 80 Hz. Os resultados foram bastante satisfatórios (Figura 4.9 e 4.10) reduzindo drasticamente o erro introduzindo no Vout. Equação 4.1

42 42 Figura Vout do ACS712 ligado a vazio utilizando o filtro. Figura Vout do ACS712 ligado a uma carga de 9W utilizando o filtro. Em relação ao possível problema de distorção que a forma de onda apresentava na Figura 4.8 foi concluído que esse não era um problema e sim uma peculiaridade da carga utilizada, provavelmente ocasionada por seus aspectos construtivos. Após sanar todos os problemas encontrados, foram executados testes a fim de determinar a relação entre o valor de saída do A/D do microcontrolador com o valor medido de corrente na carga. Inicialmente o sensor de corrente foi conectado ao circuito de tratamento de dados e a diversas cargas. Assim, os valores do conversor A/D do pico positivo e do pico negativo foram obtidos. Simultaneamente, o valor da corrente foi adquirido utilizando um multímetro comercial da Minipa (ET4090 true RMS). Os dados obtidos podem ser observados na Tabela 4.1. Carga Corrente medida (ET4090) Tabela 4.1 Dados de corrente na carga. Corrente de Pico (Medida x ) Valor do conversor A/D. (Pico Negativo) Valor do conversor A/D. (Pico Positivo) Misteira 6,27 8, Ferro de Solda 0,2 0, Pistola de cola quente 0,14 0, Televisão 14 polegadas 0,51 0, Televisão 20 polegadas 0,71 1, Mini Furadeira 0,63 0, Tv 14 polegadas + Tv 21 polegadas 1,14 1, Geladeira 1,46 2,

43 43 Para determinar o valor de corrente medido pelo sensor ACS712, a Tabela 4.2 foi confeccionada para correlacionar o valor de pico medido pelo ET-4090, o qual foi obtido multiplicando-se o valor pela raiz quadrada de dois, com os valores dos picos negativos e positivos obtidos através do conversor A/D do microcontrolador. Para observar o comportamento dos dados foi plotado um gráfico de dispersão (Figura 4.11). Este gráfico indica que o sensor tem uma relação corrente na carga e Vout bastante linear, possibilitando criar uma equação de primeiro grau onde podemos obter o valor de corrente na carga medido pelo sensor hall introduzindo na equação o valor obtido através da conversão analógico digital do microcontrolador. Tabela Dados de corrente medida no ET-4090 e na saída do conversor A/D. Valor medido pelo ET-4090 x Valor medido na saída do conversor A/D do sistema de tratamento dos dados. 8, , , , , , , , , , , , , ,

44 y = 0,0298x - 15, Corrente x Valor medido Linear (Corrente x Valor medido) Figura Gráfico de Corrente versus Saida do conversor A/D do microcontrolador. Para medir a grandeza tensão elétrica aplicada na carga, foi utilizado no módulo sensor um simples divisor de tensão, pois este apresenta um ótimo desempenho a um baixo valor. Para determinar os valores das resistências utilizadas para compor o divisor de tensão foram tomados como referência os limites de leitura do conversor A/D microcontrolador que é de 0 a 5 Volts. Utilizando a lei de Ohm (Equação 3.2), e considerando que a tensão máxima aplicada no divisor de tensão é de 311V,a qual corresponde ao valor de pico da tensão 220V RMS, e que o valor da resistência R1 é de 820KΩ, foi calculado o valor de R2 (Equação 4.2). ( ) ( ) Equação 4.2

45 45 Um problema encontrado foi condicionar o sinal senoidal de -2,5V e +2,5V para 0 V a 5V, ou seja, passar a referência de 0V para 2,5V (Figura 4.12). A solução encontrada foi acoplar a saída do sinal do divisor em um circuito somador não inversor e adicionar 2,5V em cada ponto do sinal senoidal. Figura Demonstração da mudança de offset. Com o projeto do sensor de tensão idealizado, foi montado no protoboard o circuito conforme esquema presente na figura O circuito foi testado ligando o sensor em paralelo com fontes de tensão alternadas. Os dados obtidos podem ser observados na Tabela 4.3. Figura Circuito somador não inversor

46 46 Tensão Nominal (RMS) Tensão medida (ET-4090) Tabela Dados de Tensão medidas Tensão de Pico (medida x ) Valor do conversor A/D. (Pico Negativo) Valor do conversor A/D. (Pico Positivo) ,1 182, ,9 21, Com os valores medidos foi possível determinar a relação entre a saída do conversor A/D do microcontrolador e a tensão ligada nos terminais do divisor de tensão. O gráfico dessas duas variáveis (Figura 4.14) foi plotado e com a adição da linha de tendência foi possível determinar a equação de primeiro grau que relaciona esses dois valores y = 1,9907x - 615,63 Tensão X A/D Linear (Tensão X A/D) Figura Gráfico Tensão x A/D Tratamento dos dados Com os valores da tensão e corrente transformados em sinais elétricos padronizados, a próxima etapa é sua medição e conversão para valores digitais, para que esses dados sejam processados e analisados. Essa é a função do tratamento de dados. Inicialmente, um sistema preliminar de aquisição de dados somente para fins de teste foi desenvolvido utilizando o software Isis Proteus. Esse sistema contava com um hardware mais simples, um PIC18F2520 sem a capacidade de conexão USB nativa e um display LCD para visualizar os dados. A Figura 4.15 demonstra o esquema desse sistema inicial.

47 47 Figura Sistema inicial de tratamento dos dados. Após constatar o correto funcionamento do sistema de aquisição de dados, um sistema definitivo de tratamento de dados foi desenvolvido baseado no hardware do Generic Zigbee de Johan Böhlin's (BÖHLIN'S, 2008), que desenvolveu um chat utilizando a protocolo MiWi P2P com este hardware. O Hardware completo do sistema com a parte de tratamento dos dados e seu envio via rede em fio pode ser observado na Figura Devido a falta da biblioteca do componente de comunicação sem fio (Módulo MRF24J40MA) no Isis proteus, o Eagle foi utilizado para desenvolver a PCI. Ele, apesar de mais simples, forneceu um ótimo resultado (Figura 4.17 e 4.18).

48 Figura Esquema do hardware do módulo sensor e central. 48

49 49 Figura Layout do PCI Tratamento de dados módulo sensor. Figura Layout do PCI Tratamento de dados módulo sensor pronto. A medição do sinal de tensão padronizado foi feita utilizando o conversor analógico digital presente no microcontrolador PIC18F2550. Como é necessário medir duas grandezas, corrente ligado no canal 0 e tensão ligado no canal 1, via software, a conversão é direcionada hora para o canal 0 hora para o canal 1. A sensibilidade do conversor A/D pode ser calculada pela Equação 4.3 sabendo a priori que a resolução do conversor A/D é de 10 bits. Equação 4.3

50 50 O software presente no microcontrolador foi desenvolvido utilizando o MplaB e compilado usando o C18. Ele inicia configurando o hardware e a comunicação sem fio ao chamar o procedimento InitializeSystem() e passa para o loop principal do sistema que adquire os dados do canal 0 e do canal 1 e os envia para o módulo central (APÊNDICE A). 4.2 Módulo central Esse módulo é responsável por receber os dados dos módulos sensores e os enviar para o computador, onde um software específico irá tratar e processar os dados recebidos. O usuário do software poderá analisar o valor do consumo elétrico em uma grandeza conhecida Kwh e com esses dados será capaz de tomar as devidas medidas para reduzir o consumo elétrico. A diferença entre o módulo central e o módulo sensor está basicamente nos softwares do microcontrolador e do microcomputador, sendo o hardware utilizado nesse módulo idêntico ao hardware do módulo sensor (Figura 4.16) Software do Microcontrolador Para desenvolver o software do microcontrolador foram utilizadas as bibliotecas de conexão USB e Miwi P2P da Microchip. No procedimento principal, se inicializa a conexão USB e MiWi P2P e configura o harware do microcontrolador. Para isso foi chamado o procedimento InitializeSystem(void) (Figura 4.18) que por sua vez chama o procedimento UserInit() (APÊNDICE A). Logo após o fim da execução do procedimento InitializeSystem(void) o loop principal é inicializado e testa o recebimento de pacotes do MRF240MA (APÊNDICE B) que é encapsulado em uma palavra de 65 Bytes e, em caso afirmativo, o procedimento ProcessIORam(BYTE *str, int loop)( APÊNDICE B), é chamado. Dentro dessa função os dados recebidos via rede sem fio são enviados para o microcomputador Software do Microcomputador Os dados adquiridos no módulo sensor são enviados para o módulo central, são tratados e analisados pelo software desenvolvido em C#. Esse software abre uma conexão com o PIC18F2550 utilizando as bibliotecas nativas do Windows, não sendo necessário instalar nenhum driver adicional. O software identifica o módulo central através de seu identificador do vendedor (VID) e através da identificação do produto (PID), que são números únicos que identificam os dispositivos USB.

51 51 O programa usa um processamento paralelo ao fluxo normal que monitora a presença do módulo central e em caso de ser encontrada, uma comunicação é estabelecida entre eles. Durante todo o processo de comunicação, o programa envia um pacote de comunicação preenchendo o byte 0 com o comando em hexadecimal 0x37 o qual é responsável por requisitar os dados do conversor A/D ao módulo central. Ao receber a requisição, o módulo central envia os dados do conversor A/D empacotados em uma palavra de 65 bytes onde o byte 0 é preenchido com a resposta do comando em hexadecimal 0x40,o byte 1 com a quantidade de dados, os bytes 2 e 3 com a conversão digital dos dados de corrente e os bytes 4 e 5 com a conversão digital dos dados de tensão. Os valores de corrente recebidos do módulo central são tratados usando a equação encontrada pela análise do gráfico presente na Figura Após o tratamento dos dados recebidos eles são disponibilizados em forma de gráfico de linha ou em forma de texto para que o usuário possa analisá-los (Figura 4.19). Na mesma tela também é possível mudar os parâmetros de conversão do sinal digital em valores de corrente. Figura Tela dados de corrente. Da mesma forma como foi feito com os valores de corrente, uma tela foi desenvolvida para analisar os dados de tensão da rede. Esses dados são tratados utilizando a equação obtida ao analisar os dados do gráfico presente na Figura 4.17 e amostrados nessa tela (Figura 4.20).

52 52 Figura Tela dados de tensão. Com os dados das duas grandezas fundamentais para o cálculo do consumo elétrico obtidas e calibradas, o próximo passo foi calcular a potência instantânea na carga. Como se trata de corrente alternada, o cálculo de potência pode ser obtido através da equação ( ) onde cos ( ) é o fator de potência, V a tensão RMS aplicada na carga, I a corrente RMS consumida pela carga e é o ângulo de fase entre V e I. Porém como estamos medindo a potência instantânea, o valor do fator de potência é automaticamente adicionado na Equação 4.4, a qual foi utilizada no programa desenvolvido. ( ) Equação 4.4.

53 53 Os dados de tensão e corrente recebidos pelo módulo central e tratados pelo programa foram utilizados na Equação 4.4 para fornecer os dados de potência instantânea. Porém, como vários fatores influenciam essa medição, foi necessário calibrá-lo. Para tal, uma tabela foi montada (tabela 4.4) listando os valores gerados pelo programa e os valores lidos no multímetro ET Com esses valores, um gráfico de dispersão foi obtido (figura 4.21). Foi observado que os dados apresentavam um padrão linear o que possibilitou a geração de uma equação do primeiro grau que associava os valores lidos no aplicativo e os valores adquiridos no ET Carga Tabela Dados de potência instantânea. Valor da potência Instantânea (Aplicativo desenvolvido) Valor da potência Instantânea (ET-4090) Misteira Tv 14 polegadas Tv 21 polegadas Mini furadeira Ferro de solda 7 23 Tv 14 polegadas + Tv 21 polegadas y = 1,1869x + 7, Aplicativo x ET-4090 Linear (Aplicativo x ET- 4090) Figura Gráfico Aplicativo x ET Com os dados da potência instantânea calibrados, uma tela para amostrar esses dados foi desenvolvida contando com um gráfico de linha e textos dinâmicos (Figura 4.22). A última etapa do desenvolvimento foi criar uma variável interna que acumulava a potência instantânea de segundo em segundo e fornecia o consumo em Watts segundo. Para converter de Watts

54 54 segundo para KWatts hora foi dividido o valor obtido por e amostrados ao usuário (Figura 4.23). Figura Tela dados de Potência. Figura Tela dados de consumo.

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