MEDIÇÃO DE ENERGIA COM REDE DE SENSORES SEM FIO

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1 MEDIÇÃO DE ENERGIA COM REDE DE SENSORES SEM FIO Carolina Fernandes Frangeto Pontifícia Universidade Católica de Campinas CEATEC Alexandre de Assis Mota Eficiência Energética Gerenciamento de Redes de Teleinformática Planejamento Integrado e Gestão de Sistemas de Infraestrutura Urbana - CEATEC amota@puc-campinas.edu.br Resumo: Este trabalho, em caráter de renovação, tem como objetivo desenvolver um protótipo que poderá ser utilizado para o monitoramento de potência elétrica em dispositivos conectados à rede de baixa tensão, através de uma arquitetura de rede de sensores sem fio, configurando-se como uma smart-grid de pequeno porte para medição inteligente de energia. Palavras-chave: Sensores sem fio, Identificação não Intrusiva, Medição Inteligente de Energia. 1. INTRODUÇÃO Com o grande aumento do uso de equipamentos de telecomunicações hoje em dia, torna-se pertinente a quantificação do consumo de energia desses equipamentos. Esse consumo de energia pode estar diretamente ligado à qualidade da rede na qual se transfere os dados e características de desempenho da rede como, por exemplo, relação sinal-ruído, perda de pacotes e necessidade de retransmissão de dados, dessa maneira pode haver um aumento do consumo de energia necessário para a realização da troca de informações. Dada a sua grande utilização nas redes atuais, esse plano de Iniciação Científica tem como objetivo a elaboração de um medidor de energia para implementar um sistema sem fio para monitoramento do consumo de energia. Para isso temos como objetivo, obtermos uma medida em Watts fazendo a junção dos dois sensores, por meio da programação do micro controlador, que multiplicara o valor de tensão pelo de corrente, por tanto colocaremos as duas saídas desses valores nas entradas de um micro controlador. 2. METODOLOGIA 2.1. Sensor de Tensão Foi utilizado um protótipo desenvolvido num trabalho de iniciação cientifica anterior (Sensor Eletrônico de Tensão para medição inteligente de Energia Elétrica por Carolina Fernandes Frangeto), mas no qual foram necessárias algumas alterações: A troca dos resistores do divisor resistivo, foi utilizado um resistor de potência de 330K e um resistor de 3,3K, Assim foi obtida uma tensão de saída de no máximo 3 volts, se encaixando então na entrada de qualquer microcontrolador de 3,3 volts ou 5 volts como, por exemplo, o Radiuino e o Arduino respectivamente. Foi feita uma troca do capacitor do filtro capacitivo, aumentando então sua capacitância, com o objetivo de tirar a tensão de Ripple, durante os testes foi utilizado um capacitor de 2200uF. Figura 1 - Tensão de Ripple. Foi incluído um diodo zenner, com tensão de 3,3 volts, para proteção, não permitindo tensões acima de 3,3volts na entrada do microcontrolador. Para alimentar os amplificadores operacionais que retificam a onda senoidal da rede, foi necessário o desenvolvimento de uma fonte simétrica de +12 volts e -12 volts. A figura 2 apresenta o diagrama esquemático da fonte de tensão simétrica. Já a figura 3 mostra o esquemático do medidor de energia, com o sensor de tensão e o sensor de corrente.

2 ativa, que é decorrente de toda a energia que resulta em trabalho real em determinado equipamento, conforme a Equação (1). Figura 2 - Esquemático do protótipo da fonte simétrica. (1) Figura 3 - Esquemático medidor de energia, sensor de tensão e o sensor de corrente Radiuino O radiuino é uma plataforma livre para criação de rede de sensores sem fio (RSSF), contemplando hardware, firmware e software, e baseado na plataforma Arduino. A comunidade de desenvolvimento tem por objetivo criar aplicações de fácil utilização para construção de (RSSF) de forma amigável. A ideia é permitir que pessoas, mesmo sem grande experiência em programação, consigam montar sua solução de rede de sensores.o hardware nada mais é do que um Arduino integrado a um transceptor CC1101 da Texas Instruments e controlado por um microcontrolador ATMEGA 328 da Atmel. Os testes iniciais da plataforma se deram em 2010 utilizando um Arduino Duemilanove conectado a um shield com o transceptor CC1101 (Figura 5) Sensor de Corrente A princípio foi utilizado um sensor desenvolvido em um trabalho anterior (Sensor Eletrônico de Corrente para medição de consumo de energia em redes por Aline Maria da Silva). No entanto, a revisão bibliográfica e tecnológica revela que existe uma nova tecnologia para medir a corrente a partir do efeito hall; assim, as pesquisas foram reiniciadas a partir do sensor de corrente, ACS712A mostrado na figura 4. Figura 4 - Sensor de corrente ACS712A Potência Os cálculos da potência são feitos a partir do produto de duas grandezas físicas, tensão e corrente. Para este projeto foi levado em conta apenas a potência Figura 5 - Sensores sem fio rodando Radiuino Software A plataforma Radiuino utiliza a IDE do Arduino. Portanto, todas as facilidades permitidas pelo ambiente de desenvolvimento do Arduino podem ser utilizadas nos desenvolvimentos com o Radiuino. O firmware foi estruturado em camadas de protocolo, semelhante ao TCP/IP, com 5 camadas. Desta forma o desenvolvedor poderá identificar qual a função que deseja trabalhar e implementar seu código na camada adequada (Radiuino.cc, 2014). Exemplos são apresentados na figura 6.

3 3.4 Testes com Radiuino Os testes foram iniciados, porém não totalmente concluídos. Puderam ser comprovadas as condições de transmissão sem fio e cálculo da potência/energia no microcontrolador, mas não houve tempo hábil para implementar as funções de controle. As figuras 12 e 13 ilustram esses testes e a calibração realizados. Figura 6 - Código de programação do Radiuino na base e no sensor Arduino Trata-se de uma plataforma de prototipagem de hardware livre baseada no microcontrolador Atmega328. A linguagem usada na programação é C/C++. Tem como diferencial o desenvolvimento e aperfeiçoamento de software e hardware por uma comunidade que divulga seus códigos de forma livre, num sistema open-source. O modelo utilizado foi o Arduino UNO que é aconselhável para quem está iniciando os trabalhos com a plataforma, é um dos modelos em que está mais em conta para aquisição. É possível realizar diversos projetos com ele, desde que não necessitem de várias portas. Figura 7 - Teste em bancada com o sensor de tensão juntamente com o protótipo da fonte simétrica de +12 e -12 volts. 3. RESULTADOS 3.1 testes com sensor de tensão Esse teste em bancada foi conduzido com o sensor de tensão após as alterações, com a inclusão do diodo Zenner para proteção, alteração dos resistores divisores de tensão, para reduzir a tensão até no máximo para 3 volts, e a substituição do capacitor do filtro capacitivo para um de 2200uF, pois estava com Ripple excessivo. Como é possível ver nas figuras 7 e 8, a onda ficou totalmente retificada e sem a tensão de Ripple. 3.2 Teste com sensor de corrente Foram feitos testes para comprovar o efetivo funcionamento do sensor, e sua saída foi verificada a a partir do Arduino, conforme a figura Testes com arduino No arduino, foi necessário desenvolver um código, ilustrado nas figuras 10 e 11, para que sua saída digital de 0 a 1023 (10 bits), referente a -30A a +30A, se apresentasse de 0 a 30A para o usuário. Figura 8 - Imagem do osciloscópio no momento do teste, onda senoidal amarela referente a rede e a onda totalmente retificada na saída do circuito em azul.

4 Figura 9 - testes com o sensor de corrente no Arduino. Figura 13 - Calibração do código do sensor de corrente para o Radiuino. 4. ANÁLISE DOS RESULTADOS Figura 10 - Código do sensor de corrente para o Arduino. Figura 11 - Testes com o sensor de corrente no Arduino. A partir do sensor de tensão (figura 14) foi possível medir a tensão necessária para se obter o valor da energia consumida, usando o produto dos valores obtidos do sensor de tensão juntamente com o sensor de corrente. A tabela 1 foi obtida a partir do teste com o resistor variável, medindo a tensão na entrada, que seria a rede sendo variada através do resistor variável, e a tensão na saída (figura 15). A partir desses dados, foi obtida uma curva dos resultados das medições (figura 16). Com esse gráfico da curva de resposta da tensão medida e do gráfico das medições de corrente, pode-se obter a equação da reta e definir um padrão de proporcionalidade entre a uma tensão de entrada (0 a 220 volts) e a tensão de saída (0 a 3 volts) e, com isso, torna-se possível medir o consumo de energia. Figura 14 - Esquemático do medidor de tensão parcial. Figura 12 - testes com o sensor de corrente no Radiuino.

5 Figura 17 - Gráfico E-S do transdutor de corrente. Figura 15 -Teste do sensor de tensão com resistor variável. 5. CONCLUSÃO Pode-se concluir que é possível medir o consumo de energia com rede de sensores sem fio com com o Radiuino, ou fazer a medição com qualquer outro microcontrolador que opere com tensão de até 3 volts. Considera-se que a continuidade concedida nesse trabalho de iniciação cientifica foi fundamental para a conclusão do trabalho. AGRADECIMENTOS Tabela 1 - Tabela de valores de tensão de entrada e saída. A Figura 16 ilustra o gráfico feito a partir dos dados colhidos durante os testes com o sensor de tensão, e nele pode-se observar a linearidade dos resultados. Já a figura 17 apresenta a característica do sensor de Efeito Hall utilizado. Figura 16 - Gráfico E-S do transdutor de tensão. Agradeço ao Professor Dr. Alexandre de Assis Mota pela oportunidade e apoio como orientador, aos funcionários do laboratório do CEATEC, Técnico Daniel Braga por toda contribuição, e aos colegas do grupo de pesquisa. REFERÊNCIAS [1] Boylestad, R.L., Nashelsky, L. (2004). Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Prentice Hall. São Paulo (SP). [2] SADIKU, MATHEW N. O. "Elementos de Eletromagnetismo". 3ª Edição. Editora Bookman. Porto Alegre, [3] BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e Fundamentos de Medidas. 2ª Edição. Vol. 1. Editora LTC [4] Allegro Micro. Current IC Sensors. Disponível em: -Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-Integrated- Conductor-Sensor-ICs.aspx. Acessado em 07 de junho de 2013.

6 [5] Branquinho, O. C. (2011). Plataforma Radiuino para estudos em Redes de Sensores Sem Fio. Capturado online de em [6] ACS712. Data sheet: Fully Integrated, Hall Effect- Based Linear Current Sensor IC with 2.1 kvrms Isolation and a Low-Resistance Current Conductor. Rev 15, Disponível em: heets/acs712-datasheet.ashx.