SISTEMA DE DOMÓTICA APLICADA AO USO E CONTROLE EFICIENTE DE ENERGIA ELÉTRICA, A PARTIR DE MEDIÇÕES DE CORRENTE ELÉTRICA. Guilherme Vischi de Andrade Pontifícia Universidade Católica de Campinas CEATEC guilherme.va@puccampinas.edu.br Resumo: Com as variações climáticas que aconteceram recentemente no país, certas regiões sofreram riscos de racionamento de energia elétrica por período de tempo variado, e até mesmo ameaça de interrupção no fornecimento de energia. Dentro deste quadro, informar-se sobre seu próprio consumo residencial permite aos usuários conscientizarem-se sobre esta questão e gerirem seus hábitos de uso da Energia Elétrica na residência, buscando estabelecer sempre a forma mais racional e eficiente para suas necessidades, controlando assim a utilização nestes períodos críticos de estiagem. Inclui-se ainda a possibilidade de ele racionalizar o uso de energia elétrica em seu ambiente residencial para ter o menor gasto financeiro. Assim, esta pesquisa, realizada na forma de Iniciação Científica, teve por objetivo desenvolver um sistema de supervisão que capturasse os dados obtidos de monitoração junto a elementos consumidores de energia e enviá-los por uma plataforma Arduino a um ponto de acompanhamento. Por meio de medições de corrente, conhecendo a potência de cada aparelho e as horas de utilização, calcula-se o consumo de energia de cada equipamento monitorado. Ao final do trabalho elaborou-se um protótipo que exemplificou o funcionamento de uma residência, e para este desenvolveu-se uma interface apropriada ao usuário final para acompanhamento de seus gastos de energia elétrica, com diferentes tipos de relatórios, sejam diários, mensais, conforme desejado. Palavras-chave: Sensor de Corrente, Radiuino, Consumo de Energia. Área do Conhecimento: 03 Engenharias 3.04.06.00-5 telecomunicações 1. INTRODUÇÃO A sociedade moderna tem na energia elétrica um dos elementos principais que possibilitam a atual oferta de seus serviços, conforto e qualidade de vida. Sua falta pode significar perda dessa qualidade e muitos prejuízos em todos os setores da sociedade. Nas David Bianchini Sistema de Telecomunicações e Teleinformática Gestão de Redes e Serviços CEATEC davidb@puc-campinas.edu.br próximas duas décadas estima-se que o consumo de energia cresça cerca de 100% nos países em desenvolvimento, como abordado por Heinrichs [1], e ao mesmo tempo recrudesce o aumento da população nas cidades, hoje já consumidoras de 75% da energia produzida. Esta situação preocupa as nações que envidam esforços para solução do problema. Acena-se com perspectivas de se obter maior eficiência energética ao se reunir as propostas de cidades inteligentes que se usarão de tecnologia da informação e comunicação (TIC) no monitoramento das fontes de desperdícios nas organizações empresariais, escolas, nas residências, etc. De forma resumida, a energia pode ser obtida de duas formas principais, tanto de fontes primárias renováveis como também daquelas não renováveis. Devido ao grande volume de água em todo território, o Brasil concentra sua maior oferta de energia elétrica nas usinas hidráulicas, popularmente conhecidas como hidrelétricas. Dessa maneira, torna-se grande a dependência de épocas com regimes de chuvas abundantes, principalmente em locais que existem reservatórios que abastecem as hidrelétricas. No mês de outubro de 2014, a geração hidráulica correspondeu a 67% do total gerado no Brasil, relatam pesquisas do Ministério de Minas e Energia [2] O consumo de energia elétrica, segundo dados do Ministério de Minas e Energia [2], registrou em outubro de 2014 um crescimento em média de 5% em relação ao mês de setembro do mesmo ano. Podendo observar também um aumento do consumo de 3% em relação ao mesmo mês de outubro do ano anterior. Do gasto energético em edifícios, o setor residencial utiliza-se de uma grande parte da energia elétrica produzida, sendo habitações representando 23% do total, já a outra parcela está dividida nos setores comercias e setores públicos, como 11% e 8%, respectivamente. As edificações têm como função principal abrigar o homem, fazendo com que as habitações tenham
como objetivo um ambiente agradável. Quando citamos conforto residencial, logo vem à mente o conforto térmico, qualidade do ar, acústica e visual. Levando em consideração a busca pela melhor qualidade de vida, pode-se notar o aumento no consumo de energia elétrica no setor residencial. Pesquisas do MME [2] comprovam que, no acumulado dos últimos 12 meses (novembro de 2013 a outubro de 2014), o consumo residencial registrou crescimento de 5,7% em relação ao mesmo período anterior e avançou 5,2% em outubro de 2014 em comparação ao mesmo mês de 2013. Estas mesmas pesquisas apontam que o ar condicionado, chuveiro elétrico e refrigeração correspondem a mais de 50% do uso final energético de uma residência devido à alta potência desses aparelhos. Levando em consideração todos estes fatores, a aplicação de eficiência energética se faz necessária para os consumidores. Além da redução de gastos, a eficiência energética adiciona a outros aspectos positivos, ou seja, redução de recursos naturais para se obter energia e minimizar a agressão ambiental são algumas das externalidades positivas da eficiência. Uma das maneiras de definir eficiência energética é a redução da utilização da fonte primária para a produção de energia. Sendo que a redução pode ocorrer em qualquer um dos processos, seja ele na transformação ou no uso final, conforme o Instituto Nacional de Eficiência Energética INEE [4]. Este trabalho, desenvolvido na forma de Iniciação Científica no Curso de Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica de Campinas, tem como objetivo realizar estudos e a elaboração de um sistema visando a possibilidade de se fazer a monitoração instantânea e redução do consumo de energia elétrica em usos finais, ou seja, nas residências. Pode-se concluir que, dos fatos rapidamente relatados nesta introdução, que é de grande importância se fazer o uso racional de energia sem perder o conforto ambiental, deixando o interior de residências em climas amenos da forma que o usuário optar. 2. HÁBITOS, USOS E COSTUMES NO USO DA ENERGIA ELÉTRICA. A preocupação com a eficiência energética vem de há muito tempo trazendo novas propostas para se acompanhar a eficiência em relação ao consumo dos equipamentos trazidos ao mercado. Uma das medidas consistiu na criação de etiquetas de eficiência energética, facilmente encontradas nas lojas fixadas a produtos como geladeira, ar condicionado, etc. cuja finalidade é indicar a avaliação energética dos produtos, calculada a partir do seu nível de eficácia em relação à quantidade de energia que consome. No Brasil estas etiquetas são definidas por categoria, utilizam escalas, as quais são apresentadas como etiquetas por faixas (A, B, C, D, E, F ou G), e visualmente partem de um verde escuro (A), mais eficiente, e chegam a um vermelho escuro (G), menos eficiente. Desta forma os produtos são categorizados por estas faixas, sendo a letra A indicadora do aparelho mais econômico. No entanto, estudos mais recentes têm permitido avançar nestas questões e apontam outros elementos importantes nesta problemática. Desta maneira, é interessante ressaltar a contribuição de Paim [4], que pesquisou a influência dos hábitos e costumes das pessoas que moram juntas, sejam em residências ou apartamentos, no intuito de quantificar esta influência. O trabalho teve como objetivo especificar um modelo de classificação da eficiência energética individual. Como resultado deixou explicito que hábitos eficientes, mesmo em um ambiente ineficiente (do ponto de vista de equipamentos ali presentes), produzem um resultado final mais eficiente se comparado com o resultado produzido a partir de hábitos ineficientes, mas em um ambiente tecnicamente eficiente. Também é importante salientar, destes resultados evidenciados por Paim [3], que se torna possível apreender porque aparece no cotidiano de muitas residências equipamentos, com uma etiqueta de eficiência energética A, apresentando um consumo de energia elétrica superior em relação a outros equipamentos da mesma categoria e modelo, mas com etiqueta de eficiência energética B. Estes estudos mostraram que a eficiência energética total de uma residência tem sim influência direta dos hábitos de consumo das pessoas. Desta forma, compreende-se que este trabalho traz consigo a possibilidade de dar aos usuários final, preocupados com a eficiência energética, que compram os melhores e mais econômicos aparelhos (com etiqueta A) de gerir também este elemento de real importância para o resultado final: o uso e costume dos mesmos na residência. 3. SISTEMA DE DOMÓTICA O sistema de domótica desenvolvido durante esta pesquisa busca monitorar o consumo de energia elétrica de uma residência utilizando as Rede de Sensores Sem Fio (RSSF), enviar os dados obtidos pelo sensor de corrente até um software de monitoramento. As informações poderão ser acessadas através
de dispositivos, como por exemplo, computador pessoal, celular ou Tablet. Este sistema permitirá ao usuário o gerenciamento correto da energia consumida instantânea em sua residência, informando-o o valor (em Real) gasto no presente momento. Diante do problema do usuário em se monitorar o seu consumo em tempo real, procurou-se alguns critérios para a triagem de hardwares e softwares para se utilizar. Sendo assim, para que a o projeto ficasse viável e fosse de fácil implementação, se utilizou plataformas open-source Diante destes pré-requisitos escolheu-se a plataforma Radiuino para o desenvolvimento desta RSSF e o software supervisório ScadaBR para monitoração do custo do consumo instantâneo do cliente em R$/KWh. do Arduino. Portanto uma plataforma de fácil entendimento e de programações intuitivas para criação de aplicações em sistemas automatizados, chamada Radiuino. O hardware do Radiuino é formado por um Arduino e um controlador ATMEGA 328 da Atmel. O software de programação utilizado é o mesmo da IDE (Integrated Development Environment) do Arduino, portanto ambiente de programação fácil e intuitivo. Já o Firmware é semelhante o protocolo TCP/IP, com 5 camadas, possibilitando fazer alterações em qual camada necessitar, como visto no site Radiuino [6]. Placa visualizada na Figura 2. 3.1. Sensor de Corrente Para que a coleta de dados fosse realizada foi implementado um sensor medidor de corrente afim de se fazer as medições de corrente elétrica medida em ampères de um fio, ou fase, que passa pela secção do sensor. O módulo sensor de eletricidade é um membro de Grove. Esse módulo baseia-se na TA12-200 transformador de corrente, que pode transformar grandes sinais AC em pequena amplitude. Podendo ser utilizado para testar alta corrente alternada de até 5A. O sensor possuiu alta precisão nas medidas, pequeno peso e tamanho e bastante útil para medidas e monitoramento de correntes alternadas, Seeedstudio [5]. Como mostra a Figura 1. Figura 2. Radiuino (RADIUINO.CC, 2015) Figura 1. Sensor de corrente (SEEEDSTUDIO, 2015) 3.2. Redes de Sensores Sem Fio e Radiuino Para a comunicação sem fio com o sensor, foi utilizado uma plataforma livre (open source) de fácil implementação de RSSF, sendo assim uma extensão
3.3. Software de Supervisão A interface usada para visualização dos dados obtidos, levando em consideração que possui um sistema supervisório completo com licença livre (open source), tendo toda documentação e código-fonte disponível, sendo possível modificar o software, é chamada ScadaBR. O supervisório pode atuar em áreas de automação e processos industriais, redes de energia e água, automação predial e residencial e diversas outras aplicações de sensoriamento. Possui suporte para mais de 20 protocolos de comunicação, compatíveis com diversos hardwares. O ScadaBR pode ser também uma camada de integração com sistemas de software externos, através de webservices, como visto ScadaBr [7]. Como mostra a Figura 3. 4.1. Montagem do Protótipo Para a realização dos testes e verificação dos dados obtidos, foi montado um protótipo que chegasse o mais próximo possível da realidade, podendo então mensurar o consumo de energia elétrica em residências, escolas, escritórios ou até mesmo microempresas. Com os aparelhos apresentados na Tabela 1 acima foi possível liga-los juntos em um sistema com um sensor medidor de corrente atrelado, como mostra a Figura 4 e comunicando-se a uma RSSF que teve sua programação desenvolvida na própria IDE do Arduino, Figura 5, e configurada as camadas para se utilizar o Radiuino, afim de conseguir a comunicação da rede de sensores e consequentemente medir o consumo real dos aparelhos quando funcionando. Figura 3. Supervisório ScadaBR 4. EQUIPAMENTOS E MEDIDAS O experimento buscou utilizar equipamentos de usos do cotidiano doméstico dos residentes no Brasil. Os equipamentos utilizados foram: Uma geladeira, um ventilador e uma lâmpada fluorescente. A tabela 1 abaixo demonstra com detalhe os aparelhos utilizados e suas características. Figura 4. Sistema de hardware e equipamentos ligados Tabela 1. Aparelhos Elétricos e suas Potências Aparelho Elétrico Potência Ativa Aproximada (Watts) Geladeira 121 Ventilador 50 Lâmpada Fluorescente 20
Figura 6. Configuração do ScadaBR Figura 5. Código para aplicação do sistema Para informar o usuário do seu consumo em tempo real, tendo em vista o seu pouco conhecimento em unidades, grandezas elétricas e redes de sensores sem fio. Elaborou-se então uma interface no ScadaBR de fácil entendimento para fazê-lo pensar sobre seus gastos e se estes estariam dentro da média pré-estabelecida pelo próprio usuário. No software de monitoramento é possível se definir os intervalos de ocorrência para cada situação do sistema a partir de uma programação baseada em uma linguagem C, evidenciado na Figura 6. Na construção da interface utilizou-se de representações de LED s com as cores vermelho, amarelo e verde representando o grau de consumo de energia elétrica desse sistema. Sendo que a partir de uma média pré-estabelecida podemos notar o alto consumo (vermelho), consumo médio (amarelo) e baixo consumo (verde). Na interface podemos visualizar também o valor (em Reais) que está sendo gasto/consumido naquele momento pelo usuário, deixando-o ciente do valor de sua conta de energia instantaneamente. A Figura 7 mostra a interface que poderá ser vista. Figura 7. Interface visualizada pelo usuário
4.2. Validação do Trabalho. Com o objetivo de observar o comportamento do protótipo montado, realizaram-se testes. A verificação concretizou-se após a ligação de uma geladeira, uma lâmpada fluorescente e um ventilador em uma rede elétrica residencial com tensão de 127v, possibilitando então a medida de corrente na saída desse sistema com os três equipamentos ligados em paralelo, como já apresentado na Figura 4. O valor de corrente recolhido desse sistema pelo sensor de corrente é enviado via RSSF para o software supervisório, ScadaBR, sendo tratado e então finalmente fornecido os valores R$/KWh em uma interface intuitiva para o entendimento do usuário. Figura 8. Gráfico do acompanhamento dos gastos do usuário A curva do gráfico da Figura 8 mostra o comportamento do sistema em diferentes situações, dentro de 10 minutos foi possível identificar gastos elevados, ou seja, quando todos os equipamentos estão ligados (minutos iniciais) e a redução de gastos conforme os equipamentos são desligados (minutos finais). Assim, podemos visualizar a validade dos valores encontrados e perceber com exatidão o consumo de energia elétrica do usuário naquele momento. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS O trabalho apresentou os resultados esperados ao permitir compreender melhor como se comporta o consumo visto pela passagem das correntes elétricas medidas com um sensor medidor de corrente e acoplado ao Radiuino e, daí as potências médias de cada equipamento monitorado desta forma se obter o gasto do usuário em Reais. Permitiu também compreender, do ponto de vista do usuário, o quanto este pode se beneficiar destes resultados, como por exemplo, geladeiras, televisores, aparelhos de som, iluminação, entre outros aparelhos presentes numa casa. Ao final se torna possível a ele fazer as visualizações do desempenho real de cada equipamento e o cálculo do consumo de energia de um dado ambiente. Considerando que a pesquisa poderá se desdobrar, possibilitando outros tipos de relatórios, adequados a cada nova situação de monitoração que se deseja, em conformidade com os princípios aqui aplicados, ficam abertas inúmeras outras possibilidades futuras. AGRADECIMENTOS Agradecimentos aos Professores da PUC-Campinas, em especial ao Prof. Dr. David Bianchini e ao Prof. Dr. Omar Branquinho. REFERÊNCIAS [1] HINRICHS, R. A. (et al). Energia e Meio ambiente. São Paulo: Cengage Learning. 2015. [2] MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (2014), Boletim Mensal de Monitoramento do Sistema Elétrico Brasileiro Novembro de 2014, capturado online em 05/12/2014 de <http://www.mme.gov.br> [3] PAIM NETO, J. R. (2015) Proposta para classificação do nível de eficiência energética individual. 2015. Dissertação (Mestrado Profissional em Gestão de Redes de Telecomunicações) Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica de Campinas, Campinas, 2015. [4] INSTITUTO NACIONAL DE EFICIÊNCA ENERGÉTICA (2001), A Eficiência Energética e o Novo Modelo do Setor Energético, capturado online em 12/03/2015 de <http://www.inee.org.br> [5] SEEEDSTUDIO (2014). Electricity Sensor Hardware, capturado online em 25/10/2014 de <http://www.seeedstudio.com> [6] RADIUINO (2014). Plataforma aberta para rede sensores, capturado online em 28/08/2014 de <http://www.radiuino.cc> SCADABR (2014), capturado online em 25/10/2014 de http://www.scadabr.com.br