medição de energia com rede de sensores sem fio

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Anais do XVIII Encontro de Iniciação Científica ISSN 1982-0178 Anais do III Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação ISSN 2237-0420 24 e 25 de setembro de 2013 MEDIÇÃO DE ENERGIA COM REDE DE SENSORES SEM FIO Carolina Fernandes Frangeto Pontifícia Universidade Católica de Campinas CEATEC [email protected] Alexandre de Assis Mota Eficiência Energética Gerenciamento de Redes de Teleinformática Planejamento Integrado e Gestão de Sistemas de Infraestrutura Urbana - CEATEC [email protected] 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 pe- queno 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 equi- pamentos. Esse consumo de energia pode estar dire- tamente ligado à qualidade da rede na qual se trans- fere os dados e características de desempenho da rede como, por exemplo, relação sinal-ruído, perda de pacotes e necessidade de retransmissão de da- dos, dessa maneira pode haver um aumento do con- sumo 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 multiplica- ra o valor de tensão pelo de corrente, por tanto colo- caremos as duas saídas desses valores nas entra- das 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 co- mo, por exemplo, o Radiuino e o Arduino respectivamente. Foi feita uma troca do capacitor do filtro ca- pacitivo, aumentando então sua capacitân- cia, com o objetivo de tirar a tensão de Rip- ple, durante os testes foi utilizado um capaci- tor de 2200uF. Figura 1 - Tensão de Ripple. Foi incluído um diodo zenner, com tensão de 3,3 volts, para proteção, não permitindo ten- sões acima de 3,3volts na entrada do micro- controlador. Para alimentar os amplificadores operacio- nais 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 es- quemático do medidor de energia, com o sensor de tensão e o sensor de corrente.

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Monografia para auxilio em projetos de medição de energia elétrica.

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  • Anais do XVIII Encontro de Iniciao Cientfica ISSN 1982-0178

    Anais do III Encontro de Iniciao em Desenvolvimento Tecnolgico e Inovao ISSN 2237-0420

    24 e 25 de setembro de 2013

    MEDIO DE ENERGIA COM REDE DE SENSORES SEM FIO

    Carolina Fernandes Frangeto Pontifcia Universidade Catlica de Campinas

    CEATEC [email protected]

    Alexandre de Assis Mota Eficincia Energtica Gerenciamento de Redes de Teleinformtica Planejamento Integrado e Gesto de

    Sistemas de Infraestrutura Urbana - CEATEC [email protected]

    Resumo: Este trabalho, em carter de renovao, tem como objetivo desenvolver um prottipo que poder ser utilizado para o monitoramento de potncia eltrica em dispositivos conectados rede de baixa tenso, atravs de uma arquitetura de rede de sensores sem fio, configurando-se como uma smart-grid de pe-queno porte para medio inteligente de energia.

    Palavras-chave: Sensores sem fio, Identificao no Intrusiva, Medio Inteligente de Energia.

    1. INTRODUO

    Com o grande aumento do uso de equipamentos de telecomunicaes hoje em dia, torna-se pertinente a quantificao do consumo de energia desses equi-pamentos. Esse consumo de energia pode estar dire-tamente ligado qualidade da rede na qual se trans-fere os dados e caractersticas de desempenho da rede como, por exemplo, relao sinal-rudo, perda de pacotes e necessidade de retransmisso de da-dos, dessa maneira pode haver um aumento do con-sumo de energia necessrio para a realizao da troca de informaes. Dada a sua grande utilizao nas redes atuais, esse plano de Iniciao Cientfica tem como objetivo a elaborao 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 juno dos dois sensores, por meio da programao do micro controlador, que multiplica-ra o valor de tenso pelo de corrente, por tanto colo-caremos as duas sadas desses valores nas entra-das de um micro controlador.

    2. METODOLOGIA

    2.1. Sensor de Tenso

    Foi utilizado um prottipo desenvolvido num trabalho de iniciao cientifica anterior (Sensor Eletrnico de

    Tenso para medio inteligente de Energia Eltrica por Carolina Fernandes Frangeto), mas no qual foram necessrias algumas alteraes:

    A troca dos resistores do divisor resistivo, foi utilizado um resistor de potncia de 330K e um resistor de 3,3K, Assim foi obtida uma tenso de sada de no mximo 3 volts, se encaixando ento na entrada de qualquer microcontrolador de 3,3 volts ou 5 volts co-mo, por exemplo, o Radiuino e o Arduino respectivamente.

    Foi feita uma troca do capacitor do filtro ca-pacitivo, aumentando ento sua capacitn-cia, com o objetivo de tirar a tenso de Rip-ple, durante os testes foi utilizado um capaci-tor de 2200uF.

    Figura 1 - Tenso de Ripple.

    Foi includo um diodo zenner, com tenso de 3,3 volts, para proteo, no permitindo ten-ses acima de 3,3volts na entrada do micro-controlador.

    Para alimentar os amplificadores operacio-nais que retificam a onda senoidal da rede, foi necessrio o desenvolvimento de uma fonte simtrica de +12 volts e -12 volts.

    A figura 2 apresenta o diagrama esquemtico da fonte de tenso simtrica. J a figura 3 mostra o es-quemtico do medidor de energia, com o sensor de tenso e o sensor de corrente.

  • Anais do XVIII Encontro de Iniciao Cientfica ISSN 1982-0178

    Anais do III Encontro de Iniciao em Desenvolvimento Tecnolgico e Inovao ISSN 2237-0420

    24 e 25 de setembro de 2013

    Figura 2 - Esquemtico do prottipo da fonte simtrica.

    Figura 3 - Esquemtico medidor de energia, sensor de tenso e o

    sensor de corrente.

    2.2. Sensor de Corrente

    A princpio foi utilizado um sensor desenvolvido em um trabalho anterior (Sensor Eletrnico de Corrente para medio de consumo de energia em redes por Aline Maria da Silva). No entanto, a reviso bibliogr-fica e tecnolgica revela que existe uma nova tecno-logia para medir a corrente a partir do efeito hall; as-sim, as pesquisas foram reiniciadas a partir do sen-sor de corrente, ACS712A mostrado na figura 4.

    Figura 4 - Sensor de corrente ACS712A.

    2.3. Potncia

    Os clculos da potncia so feitos a partir do produto de duas grandezas fsicas, tenso e corrente. Para este projeto foi levado em conta apenas a potncia

    ativa, que decorrente de toda a energia que resulta em trabalho real em determinado equipamento, con-forme a Equao (1).

    (1)

    2.4. Radiuino

    O radiuino uma plataforma livre para criao de rede de sensores sem fio (RSSF), contemplando hardware, firmware e software, e baseado na plata-forma Arduino. A comunidade de desenvolvimento tem por objetivo criar aplicaes de fcil utilizao para construo de (RSSF) de forma amigvel. A ideia permitir que pessoas, mesmo sem grande experincia em programao, consigam montar sua soluo de rede de sensores.O hardware nada mais 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).

    Figura 5 - Sensores sem fio rodando Radiuino.

    2.5. Software

    A plataforma Radiuino utiliza a IDE do Arduino. Por-tanto, 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, semelhan-te ao TCP/IP, com 5 camadas. Desta forma o desen-volvedor poder identificar qual a funo que deseja trabalhar e implementar seu cdigo na camada ade-quada (Radiuino.cc, 2014). Exemplos so apresen-tados na figura 6.

  • Anais do XVIII Encontro de Iniciao Cientfica ISSN 1982-0178

    Anais do III Encontro de Iniciao em Desenvolvimento Tecnolgico e Inovao ISSN 2237-0420

    24 e 25 de setembro de 2013

    Figura 6 - Cdigo de programao do Radiuino na base e no sensor.

    2.6. Arduino

    Trata-se de uma plataforma de prototipagem de hardware livre baseada no microcontrolador Atme-ga328. A linguagem usada na programao C/C++. Tem como diferencial o desenvolvimento e aperfei-oamento de software e hardware por uma comuni-dade que divulga seus cdigos de forma livre, num sistema open-source. O modelo utilizado foi o Ardui-no UNO que aconselhvel para quem est inician-do os trabalhos com a plataforma, um dos modelos em que est mais em conta para aquisio. poss-vel realizar diversos projetos com ele, desde que no necessitem de vrias portas.

    3. RESULTADOS

    3.1 testes com sensor de tenso

    Esse teste em bancada foi conduzido com o sensor de tenso aps as alteraes, com a incluso do di-odo Zenner para proteo, alterao dos resistores divisores de tenso, para reduzir a tenso at no m-ximo para 3 volts, e a substituio do capacitor do filtro capacitivo para um de 2200uF, pois estava com Ripple excessivo. Como possvel ver nas figuras 7 e 8, a onda ficou totalmente retificada e sem a tenso de Ripple.

    3.2 Teste com sensor de corrente

    Foram feitos testes para comprovar o efetivo funcio-namento do sensor, e sua sada foi verificada a a partir do Arduino, conforme a figura 9.

    3.3 Testes com arduino

    No arduino, foi necessrio desenvolver um cdigo, ilustrado nas figuras 10 e 11, para que sua sada digi-tal de 0 a 1023 (10 bits), referente a -30A a +30A, se apresentasse de 0 a 30A para o usurio.

    3.4 Testes com Radiuino

    Os testes foram iniciados, porm no totalmente concludos. Puderam ser comprovadas as condies de transmisso sem fio e clculo da potncia/energia no microcontrolador, mas no houve tempo hbil pa-ra implementar as funes de controle. As figuras 12 e 13 ilustram esses testes e a calibrao realizados.

    Figura 7 - Teste em bancada com o sensor de tenso juntamente com o prottipo da fonte simtrica de +12 e -12 volts.

    Figura 8 - Imagem do osciloscpio no momento do teste, onda senoidal amarela referente a rede e a onda totalmente retificada na sada do circuito em azul.

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    24 e 25 de setembro de 2013

    Figura 9 - testes com o sensor de corrente no Arduino.

    Figura 10 - Cdigo do sensor de corrente para o Arduino.

    Figura 11 - Testes com o sensor de corrente no Arduino.

    Figura 12 - testes com o sensor de corrente no Radiuino.

    Figura 13 - Calibrao do cdigo do sensor de corrente para o Radiuino.

    4. ANLISE DOS RESULTADOS

    A partir do sensor de tenso (figura 14) foi possvel medir a tenso necessria para se obter o valor da energia consumida, usando o produto dos valores obtidos do sensor de tenso juntamente com o sen-sor de corrente. A tabela 1 foi obtida a partir do teste com o resistor varivel, medindo a tenso na entra-da, que seria a rede sendo variada atravs do resis-tor varivel, e a tenso na sada (figura 15). A partir desses dados, foi obtida uma curva dos resultados das medies (figura 16). Com esse grfico da curva de resposta da tenso medida e do grfico das medi-es de corrente, pode-se obter a equao da reta e definir um padro de proporcionalidade entre a uma tenso de entrada (0 a 220 volts) e a tenso de sada (0 a 3 volts) e, com isso, torna-se possvel medir o consumo de energia.

    Figura 14 - Esquemtico do medidor de tenso parcial.

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    24 e 25 de setembro de 2013

    Figura 15 -Teste do sensor de tenso com resistor varivel.

    Tabela 1 - Tabela de valores de tenso de entrada e sada.

    A Figura 16 ilustra o grfico feito a partir dos dados colhidos durante os testes com o sensor de tenso, e nele pode-se observar a linearidade dos resultados. J a figura 17 apresenta a caracterstica do sensor de Efeito Hall utilizado.

    Figura 16 - Grfico E-S do transdutor de tenso.

    Figura 17 - Grfico E-S do transdutor de corrente.

    5. CONCLUSO

    Pode-se concluir que possvel medir o consumo de energia com rede de sensores sem fio com com o Radiuino, ou fazer a medio com qualquer outro microcontrolador que opere com tenso de at 3 volts. Considera-se que a continuidade concedida nesse trabalho de iniciao cientifica foi fundamental para a concluso do trabalho.

    AGRADECIMENTOS

    Agradeo ao Professor Dr. Alexandre de Assis Mota pela oportunidade e apoio como orientador, aos fun-cionrios do laboratrio do CEATEC, Tcnico Daniel Braga por toda contribuio, e aos colegas do grupo de pesquisa.

    REFERNCIAS

    [1] Boylestad, R.L., Nashelsky, L. (2004). Dispositi-vos Eletrnicos e Teoria de Circuitos. Prentice Hall. So Paulo (SP).

    [2] SADIKU, MATHEW N. O. "Elementos de Eletro-magnetismo". 3 Edio. Editora Bookman. Porto Alegre, 2004.

    [3] BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instru-mentao e Fundamentos de Medidas. 2 Edio. Vol. 1. Editora LTC. 2010.

    [4] Allegro Micro. Current IC Sensors. Disponvel em: http://www.allegromicro.com/en/Products/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-Integrated-Conductor-Sensor-ICs.aspx. Acessado em 07 de junho de 2013.

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    Anais do III Encontro de Iniciao em Desenvolvimento Tecnolgico e Inovao ISSN 2237-0420

    24 e 25 de setembro de 2013

    [5] Branquinho, O. C. (2011). Plataforma Radiuino para estudos em Redes de Sensores Sem Fio. Capturado online de http:// www.radiuino.cc, em 30-09-2011.

    [6] ACS712. Data sheet: Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor IC with 2.1 kVRMS Isolation and a Low-Resistance Current Conduc-

    tor. Rev 15, 2012. Disponvel em: http://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS712-Datasheet.ashx.