Sistema de Controle e Verificação do Consumo de Energia Elétrica Utilizando Arduino

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1 Sistema de Controle e Verificação do Consumo de Energia Elétrica Utilizando Arduino Matheus S. da Silva 1, Enza Rafaela de S. Ferreira 2, Raimundo P. da C. Neto 3 1 Estácio CEUT Coordenação de Ciência da Computação -Teresina,PI - Brasil 2 Universidade Federal do Piauí (UFPI) Departamento de Computação, Teresina,PI - Brasil. 3 Coordenação de Análise e Desenvolvimento de Sistemas Faculdade de Ciências e Tecnologia do Maranhão (FACEMA) - Caxias, MA - Brasil {matheusxtz96@gmail.com,enzasampaiof@hotmail.com, netocunhathe@gmail.com} Abstract. Home automation has been showing enough efficiency in aid of some activities in the residential, commercial, etc. It is based on several principles, highlighting some as security, cost savings and sustainability. Besides her, other technologies have been highlighted as the Arduino, a small circuit with a microcontroller that gives you the function of controlling other devices. Soon this work is to develop a device that allows the monitoring of electricity consumption, which will create an electrical circuit prototype that will receive the current analog sensor signals to be processed to calculate the current and power. Resumo. A domótica vem mostrando bastante eficiência no auxílio de algumas atividades realizadas no ambiente residencial, comercial, etc. Se baseia em vários princípios, destacando alguns como segurança, economia de gastos e sustentabilidade. Além dela, outras tecnologias vêm se destacando, como o Arduino, um pequeno circuito que possui um micro controlador que lhe dá a função de controlar outros dispositivos. Logo esse trabalho consistirá no desenvolvimento de um equipamento que permite o monitoramento do consumo de energia elétrica, onde será criado um protótipo de circuito elétrico que receberá do sensor de corrente sinais analógicos que serão processados para calcular a corrente e a potência. 1.Introdução A domótica é uma tecnologia que não é muito nova, mas sua difusão no mundo se deu a poucos anos, ela permite executar rotinas e tarefas de uma residência de forma automatizada, utilizando equipamentos elétricos e eletrônicos, facilitando assim a vida

2 diária das pessoas proporcionando conforto, segurança, praticidade, comodidade. O termo domótica vem da junção do latim domus (casa) e robótica [Banzi 2011]. Com o avanço da tecnologia nos dias atuais, o mundo vem se desenvolvendo constantemente, com o intuito de dar mais conforto ao homem, e conscientiza-lo sobre a questão do uso inapropriado dos recursos energéticos [Dias, Pizzolato 2004]. Então a ideia deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de automação residencial simples, de baixo custo, com o objetivo de monitorar o consumo de energia elétrica de uma residência e que o responsável pela residência possa fazer o acompanhamento dos gastos em tempo real. Além da utilização da automação será empregado neste trabalho o Arduino, um pequeno circuito (placa) que possui um micro controlador que lhe dá a função de controlar outros dispositivos eletrônicos e sensores [Margolis 2011]. 2. Arduino O projeto Arduino iniciou-se em 2005, na Itália, com um professor chamado Massimo Banzi. Primeiramente usado para fins acadêmicos, seu sucesso foi tanto que em pouco tempo ela se alastrou pelo mundo. Atualmente é muito utilizado para projetos de prototipagem de baixo custo, facilitando vida dos amantes da eletrônica, que buscam uma maneira simples de montar pequenos protótipos [Banzi 2011]. 3. Arquitetura Figura 1: Diagrama de blocos do medidor de energia. A figura 1 ilustra o diagrama de blocos do modelo proposto que descreve as ligações entre cada subsistema e o fluxo da informação. São descritos quatro objetos que são de extrema necessidade para o desenvolvimento do protótipo, em seguida cada um deles serão detalhados. Objeto monitor: dispositivo computacional responsável por fazer o monitoramento em tempo real dos processos no ambiente; Controlador: dispositivo eletrônico, responsável por gerenciar todas as entradas e saídas; Servidor: Esse termo é muito associado as áreas da tecnologia, um servidor é um dispositivo computacional responsável pelo fornecimento de serviços para outros dispositivos; Dispositivo Computacional: Meio computacional utilizado nesta aplicação para exibição e representação dos dados, responsável por requisitar algo para o servidor. 4. Desenvolvimento do Sistema Web

3 A aplicação web foi desenvolvida utilizando a linguagem PHP, juntamente com o framework de desenvolvimento ágil Bootstrap com intuito de desenvolver uma aplicação responsiva e a API Google Charts, essa responsável pela geração dos gráficos. A principal funcionalidade da aplicação web é a apresentação detalhada das informações do consumo de energia da residência, onde será feito o cadastro da casa e dos dispositivos existentes na mesma. Figura 2: Página inicial da aplicação web. Na figura 2 o sistema sendo executado em um navegador de um computador. 5. Testes e Resultados A seguir serão mostrados os testes realizados com o protótipo mostrando suas vantagens e desvantagens. É descrito os procedimentos utilizados para que possa acontecer os testes e consequentemente a validação dos mesmos e a viabilização dos resultados dos testes. A utilização da aplicação é simples, onde o usuário fixa o sensor de corrente a um cabo de alimentação de algum dispositivo eletrônico, depois disso de acordo com o algoritmo que foi criado e gravado na memória do Arduino, será identificado a corrente total em Amperes passada para o dispositivo naquele momento e sua potência em Watts, em que essas informações serão enviadas para o servidor, e a partir daí, os cálculos e os gráficos do consumo serão gerados e mostrando o total a ser pago. Para calcular o consumo médio de energia (KWh) de um equipamento de acordo com o seu tempo de uso, é necessário saber a potência do mesmo. Depois para calcular o custo mensal em reais é só multiplicar o consumo médio em KWh pelo valor da tarifa cobrada pela concessionaria local. Nos testes a seguir, o cálculo do custo mensal foi realizado baseado no valor da tarifa da concessionária maranhense, que é de 0,43 R$. 5.1 Cenário de Teste 1 O cenário de teste foi uma sala contendo uma tomada com rede de 220v, um carregador de celular portátil, e um celular que foi colocado em carregamento, um sensor de corrente não invasivo de 100A, um Arduino Uno, um notebook Asus que é responsável por receber os dados enviados pelo Arduino e enviar para o servidor. O sistema foi montado próximo a fonte e ao celular, e em seguida o sensor de corrente não invasivo foi plugado ao cabo de alimentação do carregador para estar medindo a corrente e a potência do dispositivo naquele momento.

4 5.2 Cenário de Teste 2 Figura 3: Cenário para realização do teste com o celular. Para o funcionamento e realização do teste 2 foram usados alguns equipamentos elétricos, como uma sala contendo uma tomada com rede de 220v, um carregador de notebook, e um notebook com potência de 40W que foi colocado em carregamento, sensor de corrente, e o Arduino. O sistema foi montado próximo a esses equipamentos, e em seguida o sensor de corrente não invasivo foi plugado ao cabo de alimentação do carregador para estar medindo a corrente e a potência do dispositivo naquele momento, o teste ocorreu por cerca de 90 minutos. Figura 4: Cenário para realização do teste com o notebook. 5.3 Cenário de Teste 3 Para o funcionamento e realização deste teste foram usados alguns equipamentos elétricos, o cenário de teste foi um quarto, inicialmente com a temperatura ambiente, contendo uma tomada com rede de 220v, e um ar-condicionado de BTUs da marca Comfee, sensor de corrente e um Arduino. O circuito foi montado próximo a fonte de alimentação do ar-condicionado, e em seguida o sensor de corrente não invasivo foi plugado ao cabo de alimentação. O teste ocorreu por cerca de 2 horas. Figura 5: Cenário para realização do teste com ar condicionado. 5.4 Cenário de teste 4 Para o funcionamento e realização deste teste foram usados alguns equipamentos elétricos, o cenário de teste foi um quarto, contendo um ventilador de potência de 65W,

5 um sensor de corrente e um Arduino. O circuito foi montado próximo a fonte de alimentação do ventilador, e em seguida o sensor de corrente não invasivo foi plugado ao cabo de alimentação. O teste ocorreu por cerca de 4 horas, as informações eram coletadas pelo sensor e enviadas para o Arduino que posteriormente seriam mandadas para o servidor. Figura 6: Cenário para realização do teste com ventilador. 6. Discussões Analisando o primeiro cenário de teste feito com o celular, o dispositivo necessita de uma potência de no máximo 5W para o seu normal carregamento, uma potência acima desse valor pode danificar. Já no cenário de teste 2, feito com o Notebook, foram coletados e analisados pelo circuito eletrônico a corrente que era passada para o carregamento do mesmo. Durante o cenário de teste 3, realizado com um ar condicionado de BTUs, onde o circuito foi montado e posto para realizar a coleta da corrente passada para o dispositivo durante todo esse tempo, ao ser ligado o ar condicionado necessita de uma maior corrente e consequentemente gera um maior consumo de energia. Já no último teste realizado com um ventilador doméstico, o circuito foi montado e posto para realizar a coleta da corrente passada para o dispositivo durante 4 horas. Foi realizado um comparativo entre os resultados do consumo médio mensal dos dispositivos utilizado nos testes com uma estimativa feita pela Procel (Centro Brasileiro de Informação de Eficiência Energética) do consumo médio mensal de eletrodomésticos de acordo com o uso hipotético. 7. Conclusão O presente trabalho desenvolvido teve como motivação a resolução do problema que é o acompanhamento mais detalhado e em tempo real do consumo da energia elétrica consumida nas residências. Para a resolução desse problema então foi desenvolvido um protótipo de medição de energia elétrica que informa aos usuários da residência informações detalhadas do consumo e o total de sua conta onde quer que ele esteja, sendo necessário apenas conexão com a internet. Os testes mostraram que mesmo com algumas limitações, o protótipo funcionou dentro do esperado, medindo a corrente elétrica que era transmitida para o equipamento elétrico por meio de um sensor de corrente não invasivo de 100A, que enviava os valores da corrente para o Arduino, e em seguida por meio da Shield Ethernet acoplado ao mesmo, enviava essas informação para o servidor local. Foi observado também que o protótipo é de extrema aceitação.

6 Como um meio de validação do protótipo, foi realizado um comparativo entre os resultados gerados e uma estimativa de consumo médio mensal de eletrodomésticos de acordo com o tempo de uso, onde se obteve pequena taxa de variação. Os resultados foram satisfatórios, mesmo com o problema da variação da tensão da rede durante o dia, que acarretava algumas variações mínimas na medição da corrente elétrica. Um dos benefícios do protótipo é a fácil instalação, onde o presente trabalho só necessita que o sensor de corrente seja plugado a alguma fonte elétrica de energia. Ele utiliza apenas materiais que são de baixo custo, proporcionado um menor gasto ao usuário que queira adquirir um sistema de medição como este. Logo percebemos uma nova forma de medição do consumo de energia elétrica em uma residência, de maneira simples, rápida, com manutenção viável, baixo custo para instalação, permitindo o acompanhamento remoto do consumo e consequentemente proporcionando um maior conforto para o usuário, pois não é necessário que o usuário se locomova até o medidor da companhia para acompanhar seus gastos. Referências Arduino. Products: Arduino Mega 2560, Disponível em: < >. Acesso em: 23 de Abril Bansi, Massino. Primeiros passos com Arduino. São Paulo: Novatec, DIAS, César Luiz de Azevedo. Domótica: aplicabilidade às edificações Residenciais Dissertação de mestrado, Universidade Federal Fluminense. Niterói, Dias, Cesar Luiz de Azevedo; Pizzolato, Nélio Domingues. Domótica: Aplicabilidade e Sistemas de Automação Residencial Disponível em:< Acesso em: 21 Mar Margolis, Michael. Arduino Cookbook 2th. Sebastopol: O Reilly Media, 2011.