TOMADAS INTELIGENTES: SISTEMA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE TOMADAS ELÉTRICAS BASEADO EM SMARTPHONES Sérgio Freitas da Silva Jr - 9º ano do Ensino Fundamental 1, Lucas Santos do Nascimento Portela 3º ano do Ensino Médio 1, Sérgio Freitas da Silva (Tutor e Orientador) 1 1 Centro de Pesquisa em Arquitetura da Informação (CPAI) Universidade de Brasília (UnB) Campus Universitário Darcy Ribeiro - ICC Ala Centro - BSS383 70.910-900 - Brasília DF RESUMO A economia de energia elétrica sempre foi de grande importância, especialmente no contexto atual, que o país passa por uma grave crise energética. O trabalho proposto consiste em Tomadas Inteligentes, ou seja, um sistema de controle e automação de tomadas elétricas baseado em smartphones. O sistema pode ser utilizado no modo manual ou automático (usando sistemas pós-pagos e pré-pagos) para os mais diversos propósitos, podendo ajudar na economia de energia elétrica e na automação de casas e empresas. Palavras Chaves: Automação, economia de energia, tomadas elétricas, Domótica, Inmótica, automação predial. ABSTRACT The energy saving has always been of great importance, especially in the current context, where our country is undergoing a severe energy crisis. The proposed work consists of intelligent sockets, ie, a control system and automation of sockets electrical based in smartphones. The system can be used in the manual or automatic mode (using prepaid or postpaid systems) for many purposes, being able to help in saving electricity and automation of homes and businesses. Keywords: Automation, power saving, power outlets, Domotics, Inmotics, building automation. 1 INTRODUÇÃO A proposta desse estudo é criar Tomadas Inteligentes utilizando a Domótica e a Inmótica aplicadas no controle e automação de tomadas elétricas utilizando smartphones. A Domótica e a Inmótica cuidam da integração de serviços e tecnologias aplicadas às residências e pequenos prédios, respectivamente, de modo a automatizá-los (de Azevedo Dias & Pizzolato, 2004). O uso da tecnologia e de dispositivos eletrônicos e mecânicos na automação, além de proporcionar segurança e praticidade, são grandes aliados na economia de energia elétrica e outros recursos (Bolzani, 2007). Outros trabalhos similares também estudaram a economia que pode ser proporcionada pela automação de casas e prédios (Wortmeyer, Freitas, & Cardoso, 2005; Bolzani, 2007). O estado da arte da automação residencial é caracterizado pela existência de diversos sistemas de medição de consumo de energia elétrica, determinação de potencial de economia de energia (Alvarez, 1998; Souza & others, 2003) e também diversos sistemas de controle remoto de dispositivos, como os controles baseados em infravermelho (Lombardi & others, 2006). A partir da revisão bibliográfica foi possível concluir que há diversos sistemas de monitoramento de consumo (Urzêda, 2010), medição e economia de energia elétrica (Alvarez, 1998) (Souza & others, 2003) e controle de consumo (Lombardi & others, 2006;Urzêda, 2010). A principal motivação para o trabalho reside no atual contexto do país, que passa por uma grave crise energética, e reforça a importância da economia de energia elétrica pelos consumidores na tentativa de evitar de diminuir os riscos de interrupção do serviço de fornecimento. Um dos diferenciais do trabalho é o fato que o modelo proposto controla e modera simultanemanete o consumo de energia elétrica através de um sistema de créditos que pode ser utilizado em empresas e residências. Esse sistema de créditos, além de controlar o consumo de energia elétrica, possibilita uma maior conscientização do usuário quanto à utilização responsável desse recurso. O artigo foi organizado da seguinte forma: a seção 2 descreve o sistema de controle a automação das Tomadas Inteligentes. A seção 3 descreve os casos de uso. A seção 4 descreve os materiais, métodos e hipóteses usados para testar o sistema. A seção 5 descreve os resultados obtidos dos testes, apresenta uma discussão a respeito dos mesmos e as conclusões do trabalho. Mostra Nacional de Robótica (MNR) 1
2 TOMADAS INTELIGENTES 2.1 Arquitetura A arquitetura do sistema de Tomadas Inteligentes é representada na figura seguinte: Usuário 1 Usuário 2 Nessa figura é possível identificar os smarphones dos usuários, o computador central, o dispositivo de controle e as tomadas elétricas. Os smarphones se conectam ao computador central para controlar o início e fim do período de utilização das tomadas. O computador central possui um servidor HTTP para receber as requisições dos celulares e conectar-se ao dispositivo de controle, via porta serial. O dispositivo de controle é composto pela plataforma Arduino e um sistema de controle remoto das tomadas. A tomada possui um sistema controlado remotamente pelo dispositivo de controle, composto por um interruptor que abre ou fecha automaticamente o circuito elétrico conforme o comando recebido do dispositivo de controle. 2.2 Hardware O hardware é composto por tomadas elétricas, um computador central, o dispositivo de controle e os smartphones. O dispositivo de controle é composto pelo Ardíino e um circuito de controle remoto. O Arduíno é uma placa microcontroladora baseado no chip microcontrolador ATMega328 (D Ausilio, 2012). O computador central é ligado, via porta serial, ao dispositivo de controle que envia os comandos, via infra-vermelho ou rádio (bluetooth ou wi-fi), às tomadas elétricas. Esse computador central pode ser um desktop ou smartphone. A tomada recebe o comando do dispositivo de controle e liga ou desliga o fornecimento de energia elétrica. 2.3 Software Servidor (Computador Central) Dispositivo de controle O software é composto por um servidor HTTP instalado no computador central, um aplicativo instalado nesse servidor, um Mostra Nacional de Robótica (MNR) Tomada 1 Tomada 2 Tomada 3 programa que comanda o microcontrolador e um aplicativo para celular. O usuário se conecta ao servidor central via HTTP ou via aplicativo para celular que é simplesmente um cliente gordo que se conecta ao mesmo servidor HTTP. No servidor HTTP, há um sistema no qual o usuário se cadastra e tem acesso às tomadas elétricas. Cada usuário possui certa quantidade de créditos, os quais são gastos à medida que a energia elétrica das tomadas do sistema é utilizada. Cada tomada possui um identificador único que é utilizado para que o sistema identifique e conecte-se à tomada com precisão. Novas tomadas elétricas podem ser adicionadas, substituidas ou removidas. Cada tomada pode ser acessada somente por um usuário de cada vez. As tomadas, após serem ligadas, permanecem nesse estado até que os créditos do usuário acabe ou que o usuário desligue voluntariamente a tomada. Ao serem desligadas, as tomadas ficam livres para que outro usuário se conecte a elas. O sistema pode ser utilizado nos seguintes modos: 1. Modos de tarifação: a. Pré-pago; b. Pós pago; 2. Modos de utilização: a. Manual b. Automático: i. Por agendamento; ii. Por sensores. 2.4 Modo Pré-pago O modo pré-pago funciona da seguinte forma: a) O pedido de ativação da tomada é recebido pelo servidor; b) Se a tomada não estiver sendo utilizada por outro usuário e o usuário possuir créditos, então a tomada será ativada e os créditos começarão a ser descontados da conta do usuário; c) A tomada continuará ativa até que o servidor receba um pedido de desativação da tomada ou que os créditos do usuário acabem; d) Após a tomada ser desativada, os créditos param de ser descontados. 2.5 Modo pós-pago O modo pós-pago funciona da seguinte forma: a) O servidor recebe o pedido de ativação da tomada; b) Se a tomada não estiver sendo usada por nenhum outro usuário, então a tomada é ativada e o tempo de utilização começa a ser computado; c) A tomada permanece ativa com o registro do tempo até que o servidor receba um pedido de desativação; d) Após a tomada ser desativada, o sistema registra o tempo que a tomada permaneceu ativa na conta do usuário que enviou o pedido.
2.6 Modo manual No modo manual o usuário realiza as seguintes operações: b) Identificar a tomada que será manipulada; c) Ligar a tomada; d) Desligar a tomada; Nesse modo, o usuário não precisa ter acesso físico à tomada, sendo que o sistema pode ser utilizado para controlar tomadas elétricas remotamente. 2.7 Modo automático 2.7.1 Por agendamento O modo automático por agendamento funciona da seguinte forma: b) Identificar as tomadas que serão operadas automaticamente; c) Determinar o período de funcionamento: data e horário de ativação e desativação; d) Determinar se o sistema deve repetir o ciclo de ativaçãodesativação e quantas vezes ele deve repetir; Nesse modo, o sistema controla a tomada de acordo com o período de agendamento determinado pelo usuário. Pode ser utilizado, por exemplo, para automatizar o funcionamento de dispositivos ou simular a presença de pessoas em um ambiente. 2.7.2 Por sensor O modo automático por sensor funciona da seguinte forma: b) Identificar a tomada que será operada automaticamente; c) Determinar o modelo de funcionamento da tomada: a. Selecionar o tipo de sensor (de luminosidade, umidade, presença ou qualquer outro que estiver cadastrado no sistema); b. Determinar as regras de ativação, ou desativação, da tomada selecionada conforme os limiares de ativação ou desativação do sensor; Nesse modo, o sistema controla a tomada de acordo com o modelo de funcionamento determinado pelo usuário. Pode ser utilizado, por exemplo, para automatizar o funcionamento de dispositivos de acordo com as condições de um determinado ambiente. 3 MATERIAIS E MÉTODOS Todos os testes em um mesmo ambiente (uma sala de aproximadamente 30 m 2 ), contendo um computador (com todos os sistemas instalados) e um smartphone (com o aplicativo de acesso instalado). Cada hipótese foi testada por 10 (dez) vezes consecutivas e os dados obtidos foram devidamente registrados e tabulados. 3.1 Hipóteses As seguintes hipóteses foram formuladas: a) H1: O sistema controla o acesso aos pontos de energia elétrica (tomada), impedindo o acesso lógico não autorizado; b) H2: O sistema consegue controlar o acesso do usuário às tomadas elétricas, restringindo o uso a um tempo definido pelos créditos do usuário no sistema (modo pré-pago); c) H3: O sistema consegue controlar o acesso do usuário às tomadas elétricas, contar o tempo em que foram usadas e cobrar da pessoa ao desligar (modo pós-pago). d) H4: O sistema controla remotamente o funcionamento de uma tomada elétrica; 3.1.1 Hipótese (1): Impedir acesso não autorizado A hipotése (H1) foi testada da seguinte forma: a) Verificar se o sistema pode ser acessado sem um usuário autenticado (tentar acessar os recursos do sistema sem estar autenticado); b) Verificar se o sistema pode ser acessado por um usuário não autorizado (fazer login com uma conta inexistente); 3.1.2 Hipótese (2): modo pré-pago A hipótese (H2) foi testada da seguinte forma: a) Verificar se o usuário com crédito consegue utilizar o sistema, continuamente até o fim dos créditos, durante o tempo correto a que tem direito; b) Verificar se o usuário com crédito consegue utilizar o sistema, intermitentemente até o fim dos créditos, durante o tempo correto a que tem direito; c) Verificar se o usuário com crédito consegue desligar a tomada antes que os créditos acabem; d) Verificar se o usuário sem crédito consegue ligar uma tomada; 3.1.3 Hipótese (3): modo pós-pago A hipótese (H3) foi testada da seguinte forma: a) Verificar se o usuário consegue utilizar o sistema no modo pós-pago; b) Verificar se o tempo de uso no modo pós-pago foi corretamente medido no servidor; Mostra Nacional de Robótica (MNR) 3
3.1.4 Hipótese (4): automação A hipótese (H4) foi testada da seguinte forma: a) Verificar se uma tomada é ligada e desligada no modo manual; b) Verificar se uma tomada é ligada e desligada no modo automático por agendamento; c) Verificar se uma tomada é ligada e desligada no modo automático por sensor; 4.3 Hipótese (3): resultado do teste do modo pós-pago A tabela 3, seguinte, indica que todos os casos de testes (A) e (B) foram confirmados nos procedimentos de testes efetuados. Esses resultados indicam que a hipótese foi confirmada. Tabela 3: Resultados do teste da hipótese 3 Confirmado Refutado 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Hipótese (1): resultado do teste de acesso não autorizado A tabela 1, à seguir, demonstra que os casos de testes (A) e (B) foram todos confirmados nos procedumentos efetuados. Esses resultados indicam que a hipótese foi confirmada. 4.4 Hipótese (4): resultado do teste do modo automático A tabela 4, abaixo, indica que todos os casos de testes (A), (B) e (C) foram confirmados. Esses resultados indicam que a hipótese foi confirmada. Tabela 1: Resultados do teste de hipótese 1 Confirmado Refutado Tabela 4: Resultados do teste da hipótese 4 Confirmado Refutado C 10 (100%) 0 4.2 Hipótese (2): resultado do teste do modo pré-pago A tabela 2, à seguir, indica que todos os casos de testes foram confirmados nos procedimentos realizados. Esses resultados indicam que a hipótese foi confirmada. Tabela 2: Resultados do teste da hipótese 2 Confirmado C 10 (100%) 0 D 10 (100%) 0 Refutado 4.5 CONCLUSÕES Como ponto forte do trabalho destaca-se o fato de que o sistema proposto de Tomadas Inteligentes é bastante versátil, podendo ser utilizado para os mais diversos fins, desde a automação até o controle do consumo de energia elétrica em uma empresa ou residência. Trata-se de um sistema modular, com instalação e manutenção de baixo custo, que facilita a solução de problemas e possibilita a rápida substituição de componentes. Como ponto fraco do trabalho cita-se a ausência um sistema de proteção contra danos físicos e utilização exclusiva por smartphones. A metodologia adotada auxiliou nos testes do sistema, especialmente nos aspectos de segurança lógica e nos seus principais casos de uso. Por outro lado, a metodologia não previu testes mais robustos em relação à segurança física do sistema e testes de casos de usos específicos. Como estudos futuros sugere-se a pesquisa de acessos alternativos, incluindo celulares tradicionais, e a investigação de sistemas de proteção contra danos físicos. Mostra Nacional de Robótica (MNR)
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alvarez, A. L. (1998). Uso racional e eficiente de energia elétrica: metodologia para determinação dos potenciais de conservação dos usos finais em instalações de ensino e similares. Bolzani, C. (2007). Desmistificando a domótica. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. D Ausilio, A. (2012). Arduino: A low-cost multipurpose lab equipment. Behavior Research Methods, 44(2), 305-313. de Azevedo Dias, C. L., & Pizzolato, N. D. (2004). Domótica: Aplicabilidade e Sistemas de Automação Residencial. Vértices, 6(3), 9-32. Lombardi, R. R., & others. (2006). Controle remoto infravermelho para automação. Neves, C., Duarte, L., Viana, N., & Ferreira, V. (2007). Os dez maiores desafios da automação industrial: As perspectivas para o futuro. Oliveira, L. S. (2006). Gestão do consumo de energia elétrica no campus da UnB. Paulino, C. A. (2006). Estudo de tecnologias aplicáveis à automação da medição de energia elétrica residencial visando à minimização de perdas. Souza, M. B., & others. (2003). Potencialidade de aproveitamento da luz natural através da utilização de sistemas automáticos de controle para economia de energia elétrica. Teza, V. R., & others. (2002). Alguns aspectos sobre a automação residencial: domótica. Urzêda, C. C. (2010). Software scada como plataforma para a racionalização inteligente de energia elétrica em automação predial. Wortmeyer, C., Freitas, F., & Cardoso, L. (2005). Automação Residencial: Busca de Tecnologias visando o Conforto, a Economia, a Praticidade e a Segurança do Usuário. II Simpósio de Excelência em Gestão e Tecnologia SEGeT2005. Mostra Nacional de Robótica (MNR) 5