FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Sistema de monitorização de consumoem tomadas domésticas

Clésio António Cabral e Silva

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientador: Carlos Ramos

18 de Julho de 2019

c© Clésio Silva, 2019

Resumo

Paralelamente ao avanço tecnológico e aumento do uso de equipamentos elétricos, nos dias dehoje, tem-se assistido a uma maior utilização da energia elétrica, desempenhando esta um papelfulcral no quotidiano dos consumidores. Este aumento do consumo da energia tem provocado umamaior preocupação por parte dos utilizadores fazendo com que os mesmos passem a desempenharum papel ativo na rede em vez de serem meros consumidores passivos.

Tendo em conta este novo paradigma torna-se imperativo controlar a energia do lado da pro-cura, sendo notória a aposta em tecnologias que permitem o controlo e monitorização de dispo-sitivos, possibilitando uma variedade de novos serviços aos utilizadores. Com este controlo outilizador pode, por exemplo, ser alertado sobre o seu consumo energético, e assim ser capaz deadotar com mais facilidade um comportamento ativo e mais eficiente na rede.

Assim, neste documento é estudada a conjugação entre a tecnologia PLC (powerline com-munication) e sistemas de medição automática com o intuito de permitir ao consumidor adquirirconhecimentos que o possibilitem ter um comportamento mais ativo e eficiente na gestão dosrecursos utilizados.

Com o objetivo de obter um modelo funcional de comunicação e monitorização é primeira-mente apresentada nesta dissertação uma análise do estado de arte da tecnologia PLC e suas áreasde aplicação. Tendo em conta o supracitado, foi realizada uma revisão bibliográfica que visou oestudo aprofundado sobre a tecnologia PLC e suas diferentes categorias e protocolos. A análise econsolidação do estudo efetuado permitiu conhecer várias metodologias e perceber qual a melhora aplicar no sistema proposto por forma a estabelecer comunicações de dados, tendo como basea rede de alimentação elétrica como meio físico de comunicação. Para a realização da mediçãoe tratamento de dados foram analisados vários sistemas PLC que usam diferentes dispositivos deprocessamento, controlo de dados e formas de sensorização das respetivas grandezas a medir.

Posteriormente, com o conhecimento mencionado foi possível proceder à elaboração de váriassimulações com o objetivo de desenhar um protótipo capaz de enviar/receber informações acercadas medições feitas entre vários dispositivos. Assim, tendo em conta a consolidação, recolha eanálise das informações obtidas, paralelamente com a programação de um micro-controlador, foipossível a construção do sistema proposto de forma mais eficiente e segura.

Por fim e como produto de toda a pesquisa e trabalho desenvolvido são preconizados os re-sultados obtidos para o projeto desenvolvido assim como os resultados das medições efetuadasrelativas aos consumos dos aparelhos elétricos e comunicações entre os mesmos, sendo possívelverificar o protótipo final desenvolvido.

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Abstract

Parallel to the technological advances and the increase usage of electrical equipment, there hasbeen an increase usage of the electric energy in the present day, which plays a key role in the dailylives of consumers. This increase in energy consumption has led to greater concern by the usersmaking them play an active role in the network rather than being passive consumers.

Taking this new paradigm into account, it is imperative to control the energy on the demandside, with a focus on technologies that allow the control and monitoring of devices, allowing avariety of new services to users. With this control the user can, for example, be alerted about theirenergy consumption, and thus be able to more easily adopt active and more efficient behavior inthe network.

Thus, in this paper the conjugation between PLC (powerline communication) technology andautomatic measurement systems are studied in order to allow the consumer to acquire knowledgethat enables him to be more active and efficient in the management of the resources used.

With the objective of obtaining a functional model of communication and monitoring, it isfirstly presented in this dissertation an analysis of the state of the art PLC technology and itsapplication areas. Taking into account the above, a bibliographic review was carried out that aimedat to in-depth study on PLC technology and its different categories and protocols. The analysisand consolidation of the study made it possible to know several methodologies and to understandthe best one to apply in the proposed system in order to establish data communications, basedon the electric power network as physical means of communication. For the accomplishment ofmeasurement and processing data, several PLC systems using different processing devices, datacontrol and sensing methods of the respective quantities to be measured were analyzed.

Subsequently, with the mentioned knowledge it was possible to proceed with the elaborationof several simulations with the objective of designing a prototype capable of sending/receivinginformation about the measurements made between several devices. Thus, taking into account theconsolidation, collection and analysis of the information obtained, in parallel with the program-ming of a micro-controller, it was possible to construct the proposed system more efficiently andsafely.

Finally, and as a product of all research and work developed, the results obtained for thedeveloped project are recommended as well as the results of the measurements made regardingthe consumption of electrical appliances and communications between them, being possible toverify the final prototype developed.

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Agradecimentos

Este documento culmina com o término de 5 anos e meio de vida académica. Durante estesanos cresci e ganhei consciência do que era viver numa cidade que não era a minha, fora da minhazona de conforto fora do que conhecia e estava habituado.

Para a realização deste documento em particular queria agradecer a todos os meus professoresque acompanharam o meu percurso e ao meu orientador, Prof. Carlos Ramos.

Agradecer a minha família por todo o apoio, carinho e preocupação constante, as vezes umbocadinho exagerada mas que não a trocava por nada, com o meu bem estar. Susana, Ilídio, MariaHelena, Duarte Nuno, João Diogo, Gustavo e Maria obrigado por tudo o que fizeram, fazem e irãofazer por mim. Vocês são os meus ídolos e é para vocês que eu olho quando penso onde querochegar. E eu quero sempre chegar longe.

Hoje posso afirmar com toda a convicção que este período da minha vida, e devo acrescentarque foi sem dúvida o melhor até ao momento, que tudo correu sem "problemas"graças as amizadesque fui fazendo ao longo destes anos.

Por fim mas desta vez o mais importante obrigado a todos os meus amigos que me acompa-nham todos os dias. Tal como já dito obrigado Família mas estes anos foram acompanhados dosmeus amigos, vivi diariamente com estas pessoas e tenho a certeza que irei continuar os próximosanos a viver ao lado deles.

Ao S.C. Salvadorense por me ter acolhido pela primeira vez como jogador e permitir retiraro maior prazer que alguma tive a fazer o que mais gosto. Christian, Leonel, João e Bruno, JoséMiguel, que ricos anos que foram. Ao F.C. da Foz que me permitiu saltar para um nível acima ecrescer como jogador. Aos Tripeiros com quem vivi as melhores aventuras únicas no mundo dofutebol não federado e as quais nunca irei esquecer.

Soraia obrigado por estes anos, acompanhaste-me em todo o meu percurso, aturaste-me nomelhor e no pior e continuas aqui presente. José e António Teixeira, Paulo Mendes, José Pinto,Simão Costa, João Cunha, Catarina Ribeiro, Carlos Ribeiro....a continuar não saio daqui mas vocêssabem quem são. Obrigado. Conhecem-me como ninguém e sei que sempre irão conhecer. Nãovos dispenso da minha vida por nada.

Ainda a quem este semestre me acompanhou e ajudou na minha profissão revelando-se umaverdadeira fonte de ajuda e apoio.

Aos da faculdade. A esses não tenho palavras para vos agradecer. Vasco, Mariana, Ana,Pedro, Cláudio, David, Érica, Inês, Guilherme, José Pedro, João. Sem vocês é que sem dúvidaeste documento não tinha sido feito, e mesmo que fosse nunca ia ter este brilho. O que fizerampermitiu chegar aqui, com todos as historias e episódios que fazem de mim o que sou. Sem maisnada um verdadeiro obrigado.

Clésio Silva

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“Your goals are as big as the effort you put on them“

Unknown

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Conteúdo

1 Introdução 11.1 Contexto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Caracterização do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.4.1 Descrição do problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4.2 Solução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.5 Estrutura da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Revisão Bibliográfica 52.1 Power Line Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Broadband-PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2.1 Princípio de Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.2 Meio Físico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.3 Modulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Narrowband-PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.1 Topologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.2 Modulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.3 Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.4 Aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4 Filtragem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4.1 Filtro LC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5 Medição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.6 Processamento, receção e envio de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6.1 Sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.6.2 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3 Simulação do Sistema 293.1 Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.1 Circuito de Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2 Alimentação Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 Implementação do Projeto 414.1 Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.2 Alimentação Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.3 Processamento de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3.1 Aquisição de Informação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.3.2 Protocolo de Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

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x CONTEÚDO

5 Conclusões e Trabalho Futuro 535.1 Trabalho Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Referências 55

Lista de Figuras

2.1 Princípio de funcionamento de um Sistema BB-PLC . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 modulação OOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 modulação ASK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 modulação OOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5 modulação FSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.6 modulação PSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.7 Filtro RLC Passa Banda em Paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.8 Filtro RLC Passa Banda em Série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.9 Várias respostas em frequência do filtro LC em paralelo para diferentes configu-

rações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.10 Sistema PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1 Processos na comunicação na transmissão da onda digital . . . . . . . . . . . . . 303.2 Rede Elétrica simulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Circuito de Envio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4 Simulação Saída Porta AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.5 Filtragem da onda recebida no lado secundário do transformador . . . . . . . . . 323.6 Onda recebida por D2 antes da sua filtragem em comparação com onda enviada

por D1 após modulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.7 1a Comparador por Histerese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.8 Entradas e Saídas do 1o Comparador por Histerese . . . . . . . . . . . . . . . . 353.9 Circuito de Uniformização de Onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.10 Saída e Entrada do Circuito de Uniformização de Onda . . . . . . . . . . . . . . 363.11 2o Comparador por Histerese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.12 Entradas e Saídas do 2o Comparador por Histerese . . . . . . . . . . . . . . . . 373.13 Circuito Simulado 1aparte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.14 Circuito Simulado 2aparte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.15 Circuito de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.16 Gráfico de Ondas do Circuito de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1 Onda de saída do pino Tx do Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2 Onda de saída da porta AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.3 Onda de entrada no secundário do Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.4 Onda de entrada no AMPOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.5 Onda pré-NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.6 Onda de entrada no AMPOP e respetiva referencia utilizada . . . . . . . . . . . . 454.7 Circuito Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.8 Circuito de Medição e Sensorização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

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xii LISTA DE FIGURAS

4.9 Interação entre Arduino e Circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.10 Comunicação de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.11 Apresentação ao utilizador da informação recolhida pelo Mestre . . . . . . . . . 50

5.1 Sistema de monitorização de consumo em tomadas domésticas . . . . . . . . . . 53

Lista de Tabelas

2.1 Norma de Banda de Frequências usadas na Europa . . . . . . . . . . . . . . . . 16

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xiv LISTA DE TABELAS

Abreviaturas e Símbolos

ADSL Asymmetric digital subscriber lineAMI Advanced Meter InfrustructureAMPOP Amplificador OperacionalAMR Automatic Meter ReadingARIB Japonese Association of Radio Industries and BusinessASK Amplitude Shift KeyingBB-PLC Broadband-PLCB-PSK Binary-PSKCA Corrente AlternadaCC Corrente ContínuaCDMA Code-Division Multiple AccessCENELEC European Committee for Electrotechnical StandardizationCSMA Carrier Sense Multiple AccessDLL Data Link LayerDSL Digital Line SubscriberFCC Federal Communications CommissionFSK Frequency Shift KeyingHAN Home Area NetworksHDR-PLC High Data Rates NB-PLCIDE Ambiente de Desenvolvimento IntegradoIEEE Institute of Eletrical and Eletronical EngineersISP Inter-System ProtocolLB Largura de BandaMCU Micro ControladorMCM Multi Carrier ModulationMOSFET Metal Oxide Semiconductor FieldEffect TransistorNB-PLC Narrowband-PLCOFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingOOK On-Off KeyingPCB Printed Circuit BoardPIC Peripheral Interface ControllerPLC PowerLine CommunicationPRIME PoweRline Intelligent Metering EvolutionPSK Phase Shift KeyingPWM Pulse Width ModulationQAM Quadrature Amplitude ModulationSG Smart GridUART Universal Asynchronous Receiver/TransmitterUSB Universal Serial Bus

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Capítulo 1

Introdução

1.1 Contexto

A evolução da tecnologia, que visa melhorar a qualidade da vida humana, tem-se vindo a

apresentar em várias vertentes. Uma delas é a criação de sistemas domésticos automatizados tais

como Sistemas de vídeo-vigilância, de iluminação, e de monitorização do consumo energético.

De todas as formas de energia utilizadas pela humanidade, a energia elétrica tornou-se uma

das mais importantes uma vez que foi um importante elemento na evolução da sociedade, impulsi-

onando a própria industrialização, alterando as estruturas urbanas e afetado a própria cultura. Atu-

almente é possível verificar a presença da energia elétrica no quotidiano da sociedade no que diz

respeito à iluminação sistematizada, aparelhos elétricos (televisão, rádio, computadores...), trans-

portes, máquinas industriais, telefones entre outros.Com isto, houve um significativo aumento do

consumo energético doméstico que leva a uma certa dependência deste tipo de energia.

Esta tese vem de encontro a este facto e tem como objetivo alertar o consumidor para o seu

consumo energético. Isto é possível através da elaboração de um sistema capaz de medir a ten-

são e corrente consumidas pelos vários aparelhos elétricos ligados e fornecer a informação ao

consumidor.

Este sistema será composto por uma série de dispositivos que estarão ligados às tomadas dos

aparelhos elétricos que comunicarão entre si usando a tecnologia PLC numa arquitetura "mestre-

escravo", onde: os "escravos"serão encarregues de fornecer ao mestre os dados recolhidos, e o

mestre responsável pelo processamento dos mesmos e pela apresentação da informação ao utili-

zador.

1.2 Motivação

A criação de sistemas inteligentes de modo a facilitar e a melhorar o dia a dia do utilizar tem

vindo a sofrer um crescimento acentuado. As habitações são dos locais onde o ser humano passa

mais tempo e por isso a melhoria de sistemas usados neste espaço é critico para a melhoria da

qualidade de vida.

1

2 Introdução

A monitorização do consumo energético vem de encontro a esse desenvolvimento e une-se

com a preocupação do aumento do próprio gasto energético. O principal objetivo deste tipo de

sistemas é alertar o utilizador para os excessos que possa estar a cometer, de forma a criar uma

consciência relativa aos consumos energéticos e diminuir o valor apresentado na fatura final.

A criação destes sistemas toma assim uma especial importância visto que permite atuar ao

nível do consumo energético das famílias de forma a reduzi-lo . Dada a atual situação ambiental

este tipo de reduções assume um papel fundamental na redução dos gastos energéticos.

1.3 Objetivos

Este documento tem como objetivo criar um sistema composto por vários dispositivos capazes

de comunicar entre si via Powerline, e que façam a monitorização dos consumos energéticos nas

diversas aplicações elétricas presentes numa habitação. Isto é possível através da medição de

grandezas elétricas, a tensão e corrente. Com estas medições podemos obter a potência elétrica

consumida.

Deste modo são considerados os seguintes objetivos:

• Comunicação de informação: de modo a permitir a comunicação entre os vários dispositi-vos é necessário construir um sistema capaz de modular e desmodular a onda portadora de

informação assente no protocolo UART a uma taxa de 1200 bit/s.

• Medição das grandezas elétricas: para possibilitar a medição da tensão e da corrente consu-midas é necessária a instalação de sensores adequados para o efeito. Estas medições terão de

ser precisas de modo a fornecer ao utilizador informações corretas sobre os seus consumos.

• Tratamento de dados: unidade de processamento de dados que será responsável pelo tra-tamento dos dados recebidos dos sensores e pelo envio e receção dos mesmos através do

sistema de comunicação referido e ainda pela apresentação da informação ao utilizador.

1.4 Caracterização do Problema

O problema da dissertação consiste no desenvolvimento de um sistema de medição de energia

elétrica nas várias tomadas domésticas, sistema este capaz de utilizar a rede elétrica para comuni-

cação entre os vários dispositivos.

1.4.1 Descrição do problema

O sistema terá de ser capaz de obter o consumo energético do eletrodoméstico no qual esta

instalado. A obtenção desta informação permitirá ao consumidor ter a perceção dos seus gastos

e, assim, a possibilidade de os diminuir. Com isto, não só estará a criar uma consciência ener-

gética mais eficiente, mas também a diminuir os seus consumos o que se irá refletir na fatura da

eletricidade.

1.5 Estrutura da Dissertação 3

O sistema será composto por vários dispositivos que comunicarão entre si. Esta comunicação

será feita utilizando como meio de transmissão a rede elétrica já existente. Além de aproveitar a

cablagem, já instalada na habitação, o que vai diminuir o custo total do sistema, aproveita o fato

da instalação ser feita nas tomadas domesticas, que é o mesmo local onde é feita a sensorização.

Desta forma, será possível construir um dispositivo centrado na tomada elétrica que realize todas

as ações necessárias.

Este terá a capacidade de medir os consumos energéticos de vários aparelhos em simultâneo

e comunicar entre os vários dispositivos. Assentando numa arquitetura Mestre-Escravo o sistema

será capaz de monitorizar vários aparelhos e, assim, apresentar ao utilizador a informação dos

consumos de cada um.

1.4.2 Solução

Para solucionar o problema proposto é importante estar familiarizado com o funcionamento

de sistemas PLC.

O sistema será composto por vários dispositivos instalados nos vários eletrodomésticos a se-

rem monitorizados

De todos os dispositivos existentes, apenas um será o Mestre que irá receber toda a informação

presente no sistema. Assim, é importante criar um algoritmo capaz de processar os dados reco-

lhidos dos sensores, fazer os cálculos necessários de forma a tornar estes dados em informação

relevante, permitir que a comunicação seja realizada sem erros e apresentar toda esta informação

ao consumidor.

Para que a comunicação se realize é fundamental a criação de um circuito que assegure o envio

e receção dos dados e, consequentemente, a correta transmissão da informação.

Tudo isto somado irá dar origem a um sistema automático de leitura de gastos energéticos

nos diversos aparelhos elétricos capaz de utilizar a rede elétrica como meio de comunicação, e

apresentar ao utilizador informação em tempo real sobre os seus consumos.

1.5 Estrutura da Dissertação

Este documento está dividido em 6 capítulos. No presente capítulo é apresentado o contexto e

motivação para o trabalho desenvolvido, os objetivos propostos e, finalmente a estrutura de todo o

documento.

No capítulo 2 são revistos os principais pontos do estado da arte relevante para o estudo em

causa.

No capítulo 3 são feitas as simulações dos circuitos desenhados.

No capítulo 4 é feita a implementação de todo o sistema e são apresentados os principais

resultados.

Finalmente, no capítulo 5 são retiradas as principais conclusões do trabalho desenvolvido, bem

como sugeridos alguns tópicos para trabalho futuro.

4 Introdução

Capítulo 2

Revisão Bibliográfica

Neste capítulo é abordada a revisão do estado da arte do problema. Deste modo, são apresen-

tados assuntos fundamentais para a elaboração da dissertação como a comunicação, a medição e

o processamento, receção e envio de dados de todo o Sistema.

Desta forma, é possível ter uma visão mais aprofundada do problema assim como do que é

necessário para a sua resolução de modo a ser possível elaborar uma solução mais consistente para

a questão apresentada.

2.1 Power Line Communication

A Comunicação é uma área crítica para o funcionamento do sistema pretendido. Nesta secção

são estudadas formas de comunicação dentro da tecnologia PLC de forma a obter um conheci-

mento mais aprofundado nesta área. Visto que a realização de comunicação é uma componente

bastante relevante do sistema a desenvolver, torna-se fundamental obter este conhecimento.

Comunicação Powerline funciona em qualquer dispositivo que esteja a ser alimentado através

de uma rede elétrica. Isto significa que desde que um aparelho seja alimentado através de algum

tipo de cablagem elétrica é possível enviar e receber dados para esse aparelho ou até mesmo

controlá-lo tendo como meio de comunicação essa mesma rede elétrica já instalada [1].

Desta forma a tecnologia PLC pode ser instalada tanto em meios de corrente alternada como

contínua. Embora o conceito seja o mesmo, transferir dados entre dispositivos instalados dentro

da mesma rede elétrica, dadas as diferentes características dos meios, existem algumas diferen-

ças particularmente a nível de modulação de onda. Alguns exemplos do uso de PLCs em redes

elétricas de tensão continua são o ramo automóvel e mesmo ramo da saúde onde a comunicação

powerline pode ser usada para monitorização de dados vitais [2, 3].

O uso de PLCs em sistemas de corrente contínua são mais comuns em unidades que tenham

a sua própria unidade de abastecimento elétrico. Tanto no exemplo do ramo automóvel como no

colete de monitorização de sinais de saúde as suas alimentações elétricas são feitas por baterias

instaladas no próprio sistema.

5

6 Revisão Bibliográfica

O sistema proposto vai ser usado em habitações ou em espaços que fazem uso da rede de baixa

tensão usada no local, o que significa que o meio elétrico utilizado vai estar a ser alimentado com

uma tensão de 230V e corrente alternada de 50Hz.

Toda a informação presente no sistema a instalar percorre a rede elétrica referida. Esta ca-

racterística revela-se uma particularidade importante visto que desta forma o projeto proposto já

possui um meio de comunicação dispensando assim a instalação de qualquer cablagem adicional,

bem como o uso de outras tecnologias, como Bluetooth, WiFi, infravermelhos, etc, que podem não

apresentar o desempenho necessário ou mesmo apresentar um custo demasiado elevado tornando

a sua aplicação inexequível [4, 5].

Ao realizar a comunicação num meio que não foi diretamente desenhado para esse fim, mas

sim para a abastecimento elétrico, é importante ter em conta as características que este apresenta

não são as ideais, pelo que será fundamental modular o sinal de comunicação de forma a conseguir

contornar as barreiras que um meio hostil como o utilizado apresenta, tanto a nível da frequência

utilizada como da própria técnica de modulação a usar [6].

Podemos dividir PLC em duas principais categorias: Narrowband-PLC (NB-PLC) e Broadband-

PLC (BB-PLC). Estas categorias têm como maior distinção entre elas a frequência que usam e

consequentes formas de modulação que são afetadas por essa característica.

2.2 Broadband-PLC

Broadband-PLC são sistemas que são capazes de realizar partilha de dados e comunicações a

alta velocidade e permitir aos seus utilizadores receber informação de voz e vídeo a velocidades

relativamente elevadas fazendo uso da rede elétrica [7].

Sendo um sistema PLC a sua principal vantagem continua a ser o facto de fazer uso da rede

elétrica e assim dispensar a instalação de qualquer tipo de meio de comunicação visto que ele já

existe e assim reduzir significativamente os custos de todo o projeto.

Além de já estar instalada a rede elétrica está presente em qualquer lugar onde existe presença

humana abastecida de fornecimento elétrico fazendo com que BB-PLC permita fornecer aos luga-

res mais remotos comunicações e serviços de Internet, o que se apresenta um obstáculo para outros

serviços, como por exemplo ADSL (Asymmetric digital subscriber line), fibra ótica, ou satélite cu-

jas instalações requerem altos investimentos fazendo com que as mesmas sejam insuportáveis do

ponto de vista financeiro. [8]

Apesar das suas vantagens o uso da rede elétrica como meio de comunicação nestas circunstân-

cias é difícil visto que esta tecnologia é uma forma de comunicar totalmente diferente das formas

mais tradicionais de comunicação. A rede elétrica apresenta ainda características como a sua im-

pedância, atenuação e ruído que podem dificultar o seu uso com este fim pois são propriedades

que se alteram constantemente em função do tempo, frequência e local [9].

2.2 Broadband-PLC 7

2.2.1 Princípio de Funcionamento

A principal ideia desta tecnologia é impor na rede elétrica um sinal de alta frequência com o

objetivo de estabelecer comunicações de alta velocidade desde o local da sua inserção até local da

sua extração. De forma a que o sinal seja inserido na rede é necessário um injetor BB-PLC. Mais

tarde para que o sinal seja amplificado e não perca as suas propriedades é usado um repetidor

de sinal e na altura de o captar um extrator. Este extrator encontra-se entre o equipamento do

utilizador e a rede elétrica fazendo a extração do sinal possibilitando o seu uso [9].

internet

injectorBPL

repetidorBPL

extractorBPL

Consumidordebaixatensão

Broadbandpowerlinecommunicationaccess

Figura 2.1: Princípio de funcionamento de um Sistema BB-PLC

Sendo BB-PLC uma tecnologia que pretende usar a rede elétrica como meio de comunicação,

a sua forma de transmitir dados é modulando um sinal que contém os dados que se pretende comu-

nicar a frequências muito elevadas que não são utilizadas pelo sinal de fornecimento elétrico. Tal

como o nome indica, as frequências usadas ocupam uma banda elevada do espetro de frequências

que vai desde dos 1.8 MHz a pelo menos aos 100 MHz. As frequências e a modulação usadas têm

um papel fundamental a desempenhar no resultado do serviço PLC usado [10].

Várias empresas do ramo foram desenvolvendo várias soluções BB-PLC seguindo alguns stan-

dards que foram estabelecidos à medida que o interesse nesta tecnologia foi crescendo, tais como

HomePlug, Universal Powerline Association e High Definition PLC Aliance (HD-PLC) entre ou-

tros. De forma a obter um desenvolvimento unidirecional desta tecnologia foram definidos pela

International Comunication Union e pelo Institute of Eletrical and Eletronical Engineers (IEEE)

apenas dois standards, ITU-T G.hn e IEEE 1901 para que possam ser seguidos por toda a comu-

nidade dedicada a esta tecnologia e assim obter melhores performances dos dispositivos criados

[4].

Assim é importante seguir estes standards que ditam a forma de modulação e respetiva cons-

trução do dispositivo criado, que como já referido influenciam diretamente o resultado final do

aparelho produzido. [11, 12, 13]

8 Revisão Bibliográfica

• ITU-T G.hn. Aplicável a linhas de fornecimento elétrica e também a linhas telefónicas ecabos coaxiais sendo por isso o primeiro a definir um único standard para os maiores meios

de comunicação que utilização comunicação por cabo.

• IEEE 1901. Pela primeira vez publicado em 2010, com a HomePlug Powerline Alliancea fazer parte dos produtos certificados. Em 2012 for lançado a HomePlug AV2 que incluí

características como uma extensão da banda de frequência usada até aos 86MHz, várias

técnicas de otimização de transmissão, modos de poupança de energia, entre outros, aumen-

tando a taxa de transmissão de dados para cerca de 2Gbit/s.

IEEE 1901 e ITU são standards que à priori não são operáveis em conjunto devido as suas

características. Tendo este facto em consideração e de forma a permitir esta coexistência vem

definido em ambos protocolos o ISP (Inter-System Protocol) cujo suporte para dispositivos que

implementem o standard 1901 é obrigatório [10].

2.2.2 Meio Físico

A linha elétrica usada nestes sistemas varia consideravelmente em topologia, estrutura e pro-

priedades físicas visto que vários tipos de cabos são utilizados para transportar energia como por

exemplo cabos de pares truncados ou cabos coaxiais [14].

De forma a conseguir produzir sistemas BB-PLC viáveis é importante que modelos com base

nas características do meio sejam elaborados de forma a permitir compreender o comportamento

da onda a transmitir e assim conseguir obter uma aproximação da realidade com a finalidade de

produzir melhores sistemas que consigam escapar as adversidades que o meio possa apresentar

[7].

Em [15] é apresentado um modelo para a rede elétrica que delineia um modelo onde a mesma é

considerada como uma caixa negra, elaborando uma função de transferência para uma resposta em

frequência na faixa dos 500KHz até aos 200MHz. A estrutura deste modelo foi obtida com base

em fenómenos físicos e resultados experimentais o que ajuda a obter resultados mais próximos da

realidade.

Com o modelo apresentado foi possível obter informações relevantes sobre o efeito do com-

primento de onda e da topologia dos cabos utilizados e ainda do ruído presente no meio e da

atenuação de que o sinal era alvo, permitindo assim simular o comportamento de sistemas BB-

PLC num meio semelhante.

Modelos como o apresentado são fundamentais no estudo e compreensão do meio utilizado,

assim como o comportamento dos sinais transmitidos entre o recetor e o emissor. A obtenção deste

conhecimento permite conhecer quais as dificuldades e obstáculos que podem ser encontrados e

assim evitar os mesmos com o objetivo de conseguir entregar um sistema de qualidade e fiabilidade

elevados.

2.2 Broadband-PLC 9

2.2.3 Modulação

Como já foi referido BB-PLC consegue oferecer uma capacidade de transmissão de dados

elevada para diferentes cenários. AMI (Advanced Meter Infrastructure) e HAN (Home Area

Networks) são exemplos aplicações que fazem uso desta tecnologia e que requerem essa capa-

cidade. Como tal garantir uma alta performance é crucial para o correto funcionamento destas

aplicações [16].

2.2.3.1 Dificuldades

A rede elétrica é um meio que não é originalmente concebido para suportar comunicações de

qualquer tipo, mas sim o transporte de energia elétrica. Como tal é um meio que apresenta várias

dificuldades ao transporte de informação como ruído, atenuação e propagação multipath, que são

características que estão em constante alteração tornando o meio imprevisível e ainda mais difícil

de usar [17].

O ruído presente nestas linhas pode ser classificado em duas categorias: ruído de fundo e ruído

impulsivo e ao contrário de muitos outros canais de comunicação não apresenta ruído branco gaus-

siano. Uma fonte de ruído que se pode encontrar é o ruído provocado pelas aplicações elétricas

presentes nas habitações. Estas aplicações produzem ruído eletromagnético e podem interferir

com os símbolos a serem transmitidos pondo em causa o funcionamento do sistema [18].

A atenuação verificada durante a transmissão de um sinal aumenta quanto maior for a dis-

tância viajada por este. Não só a distância provoca este aumento mas também o uso de elevadas

frequências que são características de sistemas BB-PLC [19].

A propagação multipath é causada pelo número de ramos conectados à linha que estão presen-

tes entre o conetor e o emissor e pelas diferentes cargas e comprimentos dos próprios ramos que

provocam reflexão dos sinais entre os segmentos e assim causam uma séria degradação do sinais

presentes na linha [20].

De forma a ultrapassar estas dificuldades a modulação é fundamental para o sucesso desta

tecnologia. A comunicação usada em cabos de energia, cujo o seu propósito é totalmente dife-

rente do uso que PLC lhe confere, requere uma transmissão de dados robusta e confiável. Posto

isto técnicas de modulação como OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) CDMA

(Code-Division Multiple Access) e FSK (Frequency Shift Keying) revelam-se técnicas que ofere-

cem a fiabilidade necessária para que a transmissão seja feita com sucesso.

Para aplicações de baixo custo e com baixa taxa de transmissão FSK é uma opção a ter em

conta. Para taxas de transmissão até 1Mbps CDMA é uma alternativa viável. Mas para taxas de

transmissão mais elevadas a técnica de modulação mais indicada revela-se ser OFDM [21].

2.2.3.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Hoje em dia a modulação através de múltiplas ondas portadoras ainda se apresenta como

um dos esquemas mais eficientes para a modulação de canais com banda limitada. Uma técnica

10 Revisão Bibliográfica

de modulação que se encaixa nesta descrição é OFDM que continua a ser um dos métodos de

modulação mais eficazes que existem até ao momento [22].

OFDM é uma forma especial de Multi Carrier Modulation (MCM) em que os pacotes de dados

enviados a uma certa velocidade são separados em streams de dados paralelos com velocidades

mais reduzidas. Cada stream de dados é enviada usando uma onda portadora diferente cada uma

com diferentes frequências. Tal como indicado no seu nome as ondas portadoras são ortogonais

evitando que as próprias ondas interfiram umas com as outras impedindo que os dados se percam

durante o processo [19]. Juntamente com prefixo cíclico, OFDM ajuda a eliminar o efeito de

interferência entre símbolos introduzido pela propagação multipath [20].

...

Carriers

FFT

IFFT

Guardspace&cyclicprefix

OFDMSymbol(fromIFFT)

Figura 2.2: modulação OOK

Com uma onda moduladora diferente para cada stream de dados enviados existe uma maior

robustez dos dados enviados sem que a velocidade final da transmissão diminua [23].

Dado que OFDM divide os dados a enviar em múltiplas ondas portadoras, é possível usar para

estas ondas várias formas de modulação de onda, tais como PSK (Phase Shift Queying), BPSK

(Binary Phase Shift Keying) ou Quadrature Amplitude Modulation etc [24]. O objetivo é evitar

que o ruído existente na linha não interfira com os dados a enviar nem com a frequência da onda

evitando que estas percam a ortogonalidade entre elas.

Tal como já referido sistemas BB-PLC são capazes de oferecer uma transmissão de dados a

uma velocidade elevada e como tal entregar serviços que necessitam de um elevado volume de

dados.

BB-PLC é também conhecida como Powerline Internet ou até por Powerband pelo já referido

facto de conseguir realizar a entrega de comunicações a alta velocidade a locais remotos pelo meio

de linhas de eletricidade comuns [21].

Com isto podemos então afirmar que BB-PLC é uma tecnologia indicada para a entrega de

aplicações de entretenimento e Internet onde existe a necessidade constante de transmissão de

grandes volumes de dados para garantir o funcionamento do sistema em que é aplicado.

2.3 Narrowband-PLC 11

2.3 Narrowband-PLC

Narrowband-PLC como já afirmado anteriormente é um sistema que usa a rede elétrica como

meio de comunicação. O que distingue NB-PLC de BB-PLC são as frequências usadas, que neste

caso vão até aos 500KHz, sendo capazes de oferecer até 800 Kbit/s dependendo da modulação

usada. Há ainda quem divida NB-PLC em UNB-PLC (Ultra Narrowband PLC) que faz uso das

frequências mais baixas da faixa indicada, mais concretamente dos 0.3 KHz aos 3 KHz conse-

guindo oferecer comunicações com velocidades até cerca de 100 b/s e até distancias de 150Km

entre recetor e emissor [25].

Este tipo de sistemas é caracterizado por transmitir quantidades de dados relativamente redu-

zidas mas com a capacidade de os transportar por distâncias mais elevadas. Estas características

fazem desta tecnologia ideal para aplicar em sistemas que efetuam o controlo e a monitorização

de energia e aparelhos elétricos, que se situam na rede de baixa tensão visto que o fluxo de dados

necessário para realizar a entrega destes serviços é reduzido [26].

Sistemas NB-PLC usaram durante décadas modulação com uma única onda portadora, sendo

que ainda hoje as técnicas mais usadas neste tipo de de modulação são ASK (Amplitude Shift

Keying), FSK e PSK. O principal conceito destas técnicas é modular a onda transmitida, com o

objetivo de representar a informação a enviar em sinais binários, modificando uma característica

da mesma, nestes casos amplitude, frequência ou fase respetivamente [27, 28].

Mais tarde com o desenvolvimento tecnológico a modulação com múltiplas ondas portadoras

foi sendo implementada. Este tipo de modulação utiliza ODFM como técnica de modulação mais

utilizada, que tal como em BB-PLC, consiste em transportar informação através de várias ondas

com frequências diferentes [29].

Contudo os cabos de energia não foram projetados para suportar comunicação bidirecional

mas sim transporte unidirecional de energia elétrica, apresentando-se por isso, uma vez mais,

um meio hostil para a propagação de sinais de comunicação. Também a enorme quantidade de

aparelhos elétricos que se encontram ligados à rede é vista como um sério obstáculo ao correto

funcionamento destes sistemas uma vez que inserem na rede vários sinais que acabam por interferir

com a transmissão de sinais entre os componentes do sistema [25].

2.3.1 Topologia

Sistemas SG (Smart Grid) fazem constantemente uso da tecnologia NB-PLC na medida em

que necessitam de transmitir quantidades de dados relativamente reduzidas e fazem uso da faixa

de frequências situada entre os 3KHz e os 500KHz.

NB-PLC é portanto uma tecnologia que requer não só uma partilha constante de dados dentro

de do sistema, como uma série de dispositivos que permitam recolher da rede elétrica ou dos

aparelhos elétricos de que são alvos a monitorização e/ou controlo. Estes dispositivos devem ser

instalados seguindo uma arquitetura que permite obviamente esta comunicação bidirecional entre

os vários modems, como ainda a própria comunicação com o utilizador de modo a que ele obtenha

a informação recolhida de todo o sistema.

12 Revisão Bibliográfica

2.3.1.1 Meio Físico

Um dos passos para estabelecer comunicações tendo como meio a rede elétrica passa por

conhecer o próprio meio, e em ultrapassar os obstáculos que este impõe a este processo.

Os obstáculos que o meio apresenta à realização da comunicação são os já conhecidos ruído e

efeitos de distorção do meio que inclui fenómenos como a atenuação, seletividade em frequência

e efeitos de multi-propagação causados pela própria rede elétrica.

Em [25] são apresentados alguns modelos que facilitam o estabelecimento de comunicações

na rede elétrica, tendo em conta as características que o meio possa ou não apresentar, como por

exemplo o modelo Multipahth ou o modelo da Linha de Transmissão.

O primeiro é definido por caracterizar a rede como uma função desconhecida que necessita de

ser estimada tendo como base informação de treino sendo assim desnecessário obter o conheci-

mento da topologia da rede, que pode não estar disponível. Assim em vez de usar este conheci-

mento topológico, propõe um modelo paramétrico da resposta do meio em frequência baseado na

teoria da linha de transmissão [30] e na sobreposição de sinais refletidos nas várias cargas previstas

na teoria mencionada.

O segundo, originalmente introduzido para modulação de canais DSL (Digital Line Subscri-

ber), vê o meio como uma função matemática que tem o objetivo de parametrizar a própria da rede

juntamente com os componentes elétricos que a compõem de forma a relacionar as tensões e as

correntes que estão presentes na mesma.

São ainda apresentados modelos que tem por base a relação entre a corrente e a tensão que a

linha pode exibir em função dos dispositivos que se encontram conectados a esta e a impedância

que eles representam em função dessa mesma relação.

Todos estes modelos são fundamentais na medida em que permitem ter um conhecimento

mais aprofundado da rede elétrica. Com este conhecimento é possível ultrapassar uma série de

obstáculos o que é essencial para implementação de sistemas PLC. Ter ao dispor esta variedade

de modelos permite implementar este tipo de sistemas numa multiplicidade de ambientes o que é

de extrema importância dada as diferentes características que a rede elétrica apresenta em toda a

sua extensão.

2.3.2 Modulação

Apesar da quantidade de dados enviados por cada pacote enviado nestes sistemas ser reduzida,

a comunicação de dados entre os vários dispositivos é constante sendo por isso importante que a

informação partilhada entre estes chegue aos seus destinos de forma segura e eficaz.

Já afirmado anteriormente, a rede elétrica é um meio de difícil modelação. Já para sistemas

BB-PLC são vários os desafios encontrados neste processo e o mesmo acontece para sistemas

NB-PLC. Fenómenos como o ruído colorido de fundo, ruído de impulso, constante alteração de

características como impedância ou frequência ao longo do tempo e ainda a inserção de vários

sinais elétricos causados pela conexão dos próprios aparelhos elétricos à rede são razões que fazem

da comunicação um processo difícil de estabelecer [31].

2.3 Narrowband-PLC 13

Por estas razões e de modo a permitir a transmissão de sinais pela rede elétrica é fundamental

fazer a sua modulação. O processo de modulação digital tem como objetivo modular a onda digital

com um sinal modulador de modo a converter os dois num sinal transportador de informação com

uma frequência de banda adequada para sistemas NB-PLC.

2.3.2.1 Modelação Com Onda Monoportadora

As primeira técnicas de modulação usadas nesta tecnologia foram técnicas de modelação de

onda monoportadora [32]. O principal motivo da utilização desta técnicas prende-se com o facto

de serem relativamente fáceis de implementar o que diminui a complexidade geral do sistema.

Usando estas formas de modulação é possível atingir velocidades que vão desde alguns bit/s

até uns Kbits/s. As principais técnicas de modulação utilizadas em técnicas de onda monoporta-

dora são PSK, FSK e ASK [33].

• Amplitude Shift Keying (ASK):

Modulação que apresenta o sinal modulado com variações na sua amplitude. O sinal trans-

mitido quando modulado usando com ASK apresenta na saída um sinal de amplitude mais

elevada quando bit transmitido corresponde ao nível lógico 1 e amplitude mais reduzida

caso contrário tal como apresentado na Figura 2.3.

0

1

1

0

1

Figura 2.3: modulação ASK

Dentro da modulação ASK existe ainda a técnica On-Off Keying (OOK) que apresenta au-

sência completa de sinal durante a transmissão de um bit de nivel lógico 0 apresentando

uma forma semelhante no resto da transmissão 2.4.

• Frequency Shift Keying (FSK):

Ao usar a modulação FSK o sinal transmitido apresenta variações na sua frequência durante

a sua transmissão. O output do sinal modulado apresenta uma frequência mais elevada

durante a transmissão de um bit de nível lógico 1 e mais reduzida caso contrário, tal como

pode ser visualizado na figura 2.5

14 Revisão Bibliográfica

0

1

1

0

1

Figura 2.4: modulação OOK

0

1

1

0

1

Figura 2.5: modulação FSK

• Phase Shift Keying (PSK):

Com Modulação PSK o sinal modulado apresenta na saída uma alteração de fase a determi-

nado momento. Esse momento ocorre normalmente uma vez a cada 360o podendo também

ocorrer a cada 180o (Binary-PSK), 90o (Quadrature-PSK) e 45o (8-PSK).

PSK é apresentado na figura 2.6. A partir daqui é possível perceber que B-PSK, Q-PSK e

8-PSK são semelhantes na medida que apenas apresentam mais mudanças de fase no sinal

modelado.

0

1

1

0

1

Figura 2.6: modulação PSK

2.3 Narrowband-PLC 15

2.3.2.2 Modulação com onda multiportadora

Aumentar o data rate está provado que não aumenta a quantidade de dados transmitidos e pelo

contrário apenas aumenta a perda de eficiência do sistema [31].

Tendo em conta este facto foram feitas novas pesquisas acerca da forma de modelar o sinal

transmitido, e à semelhança de BB-PLC a técnica de modulação OFDM foi adotada para usar em

sistemas NB-PLC.

Com o uso destas tecnologias, também conhecidas como HDR NB-PLC (High Data Rates

NB-PLC), é possível chegar a data rates até 500 Kbit/s o que com o uso de técnicas de modulação

de onda monoportadora não era possível [34].

O funcionamento de OFDM é semelhante tanto em BB-PLC com em NB-PLC o que se tra-

duz em dividir o sinal transmitido por várias ondas subportadoras que fazem uso de técnicas de

modulação de ondas monoportadora já explicadas.

Modulação com onda multiportadora oferece uma maior robustez ao sinal transmitido ofere-

cendo a este uma maior resistência as perturbações que o meio elétrico possa causar à transmissão

[35].

Apesar de oferecer uma velocidade de transmissão superior juntamente com mais garantias no

que toca à entrega de comunicações, técnicas de modulação de onda multiporatadora conferem à

generalidade do sistema uma maior complexidade. Este facto traduz-se num aumento do custo do

sistema assim como um maior consumo energético o que por vezes pode não se revelar verdadei-

ramente vantajoso quando a aplicação do sistema não requer um fluxo de dados tão elevado ou

quando o orçamento é reduzido [26].

2.3.3 Standards

Com o crescimento da tecnologia PLC o número de aparelhos a usar as linhas elétricas para

outros fins além do uso de energia elétrica foi crescendo. De forma a regular o uso em frequência

da rede elétrica para quem nem serviços de energia nem serviços de comunicação fossem afetados

foram elaboradas normas de forma a restringir este mesmo uso na banda de frequência. Lançada

para a Europa, esta norma pode-se dividir em 4 bandas distintas. A sua descrição bem como

algumas das suas características e classificação podem ser vistas na tabela 2.1.

Existe também para o mesmo efeito nos Estados Unidos da América uma regulação, Code

of Federal Regulations emitida pela entidade responsável, Federal Communications Commissions

(FFC), que limita o uso de frequências entre os 9kHz e os 500Hz. Também no Japão foi lançado

um documento semelhante pela Japonese Association of Radio Industries and Business (ARIB)

que permite o uso de NB-PLC na banda dos 10kHz aos 450kHz.

Tal como já afirmado anteriormente as primeiras formas de comunicação da tecnologia NB-

PLC foram com modelação de onda monoportadora. Como tal também os primeiros protocolos

a serem elaborados foram focados nessas mesma técnicas como foi o caso do X-10. Baseado na

transmissão de informação no formato binário usando modulação em amplitude, considera-se este

16 Revisão Bibliográfica

Frequência de BandaCENELEC

Frequência Descrição

Banda A 9kHz para 95kHz Reservada para provedores de energia

Banda B 95kHz para 125kHzDisponível para uso de consumidores

não tem protocolo definido

Banda C 125kHz para 140kHzDisponível para uso de consumidores.

Protocolo tem de implementarCarrier sense multiple access (CSMA)

Banda D 140kHz para 148kHzDisponível para uso de consumidores

não tem protocolo definidoTabela 2.1: Norma de Banda de Frequências usadas na Europa

protocolo o "pai"da tecnologia Smart Home. Apesar de ter sido um avanço significativo da tecno-

logia NB-PLC o X-10 nunca atingiu um elevado patamar de sucesso devido às dificuldades que

apresava em comunicar a longas distâncias e ainda pelo baixa performance que os seus sistemas

apresentavam [14].

Apesar do pouco sucesso observado por este protocolo a evolução da tecnologia PLC permitiu

a contínua pesquisa nesta área o que se traduziu na elaboração de mais standards que permitem a

realização de comunicações de forma mais fiável, segura e robusta.

Numa primeira fase, sendo o X-10 exemplo disso mesmo, foram desenvolvidos protocolos

para o uso de modulação com onda monoportadora [29]. Ainda durante a década de 90 foi desen-

volvido o IEC 61334 que é direcionado a comunicações de baixa velocidade e tem como principal

técnica de modulação FSK [36].

Com o uso de modulação com onda multiportadora foi registado um aumento considerável da

qualidade, alcance e velocidade da transmissão de informação. Com esta melhoria significativa

a utilização de NB-PLC tornou-se ainda mais apelativa para usar juntamente com vários tipos de

sistemas e aplicações (i.e. entrega e gestão de energia e aplicações de sensorização e controlo) o

que fez aumentar o uso desta tecnologia e com isso o surgimento dos primeiros protocolos para o

uso de onda multiportadora [26, 37, 14].

• PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution).

Protocolo que surgiu em 2007 opera na zona dos 3 - 95KHz e pode atingir velocidades de

transmissão de até 130Kbit/s.

Principalmente usado para sistemas Smart Grid presentes na rede de baixa tensão este stan-

dard é suportado pela Prime Alliance que conta com cerca de 50 membros e é presidido pela

multinacional pública espanhola Ibedrola.

• G3-PLC

Criado em 2009 este standard permite o estabelecimento de comunicações a longas distân-

cias. Opera na banda de frequências dos 10 aos 490 KHz e usa como técnica de modulação

2.3 Narrowband-PLC 17

OFDM juntamente com PSK e suas variações com o objetivo de obter comunicações sufici-

entemente fiáveis e robustas para longas distancias.

• IEEE 1901.2

Protocolo que surgiu em discussões entre várias empresas que tinham lugar em encontros

sobre standards direcionados para a indústria automóvel.

Por essa razão o seu uso é indicado para esse mesmo ramo mais concretamente para siste-

mas de carregamento elétrico das baterias de automóveis mas também pode ser usado para

sistemas de medição automática de energia.

Podendo operar em redes de baixa e média tensão permite ainda a coexistência com sistemas

BB-PLC

• ITU-T G.hnem

Com o lançamento de vários protocolos, tais como os que foram ate aqui apresentados,

houve a necessidade de unificar o mercado de modo a garantir entre vários sistemas seme-

lhantes a sua interoperabilidade.

Assim em 2010 foi criado pelo IEEE o projeto G.hnem para a criação de standards para

tecnologias NB-PLC tendo como principal técnica de modulação OFDM.

Acabado por ser lançado em 2011 o ITU-T G.hnem é principalmente orientado para sis-

temas SG entre os quais smart metering, gestão de energia, ou até mesmo carregamento

automóvel.

É possível portanto verificar a importância que estes standards detêm pois ajudam na evolução

da própria tecnologia orientando a elaboração destes sistemas estabelecendo um ponto de partida

para a elaboração destes sistemas o que permite aos seus desenvolvedores uma maior preocupação

com novos avanços que a implementação de conceitos já bem fundamentados.

2.3.4 Aplicações

Numa primeira análise podemos então afirmar que o principal objetivo da tecnologia NB-PLC

é tornar a rede elétrica existente mais funcional tanto do ponto de visto do consumidor como

do próprio fornecedor de energia, ou seja permitir construir sistemas que possibilitem o controlo

e monitorização da rede de forma a obter uma entrega de energia mais fiável e segura e ainda

sistemas que possibilitem o controlo de aplicações elétricas presentes em habitações ou até mesmo

em locais públicos.

Todos estes sistemas encaixam-se no conceito de Smart Grids, que tal como o seu nome sugere

é um conceito que visa dotar a rede elétrica da capacidade de partilhar dados entre várias aplicações

elétricas que estejam conectadas à mesma. Nesta secção são apresentados alguns sistemas de

servem de exemplo para perceber o alcance que NB-PLC pode ter no quotidiano bem como os

benefícios que estes sistemas apresentam principalmente no que toca ao controlo e monitorização

de aplicações elétricas.

18 Revisão Bibliográfica

Em [38] é apresentado um sistema desenvolvido para a deteção e identificação de falhas nas

linhas de transmissão de forma remota.

A deteção de falhas nas linhas de transmissão é um aspeto importante na manutenção das

mesmas uma vez que falhas que nestas possam existir podem levar ao comprometimento das

funções das linhas o que se traduz na possível falha de fornecimento de energia elétrica aos seus

consumidores.

Posto isto detetar estas falhas o mais rapidamente possível é crucial para que este fornecimento

elétrico não seja posto em causa e assim não privar os utilizadores de ter acesso à energia elétrica.

A rápida resolução de erros que possam existir é portanto uma ação que deve ser feita com

urgência. o sistema desenvolvido em [38] tem como principal objetivo detetar estas falhas ainda

antes de eles surgirem de forma a evitar que estes erros surjam e ainda reduzir a manutenção

presencial que se revela dispendiosa.

Usando NB-PLC o sistema apresentado compromete-se a detetar as falhas existentes na linha

e posteriormente comunicar essas mesmas falhar usando as próprias linhas de transmissão para as

comunicar. Instalando um dispositivo PLC em cada subestação elétrica o sistema apresentado usa

para comunicar frequências entre os 50 e os 500KHz.

O processamento destas falhas é feito com recurso a computadores que se encontram no local

onde se encontram os dispositivos PLC.

Também em [39] é apresentado um sistema que representa mais um exemplo da utilização de

NB-PLC visto que realiza comunicações, na banda de frequências entre os 50 e os 500KHz, na

rede de alta tensão com o intuito de obter a altura média, desde do nível do chão, das linhas de

transmissão.

Em [40] é analisada a performance de um sistema PLC para usar em conjunto com sistemas

de gestão de fluxo de energia.

A produção de energia hoje em dia é proveniente de várias fontes. Principalmente as fontes de

energia renováveis nem sempre apresentam um produção constante visto que esta varia de acordo

com as condições ambientais. Este facto pode levar a que o consumo de energia gere em certos

momentos picos demasiado elevados para a quantidade disponível pelo que é importante fazer

uma gestão do fluxo de energia existente.

De forma a integrar um sistema automático de gestão de energia, como o apresentado, com

um sistema de comunicação funcional e economicamente fiável é analisado um sistema NB-PLC

baseado num dispositivo da Devolo em consonância com G3-PLC capaz de realizar comunicações

na banda de frequência dos 150 aos 500KHz que utilizando como forma de modulação OFDM

consegue atingir velocidades até 250 Kbits/s.

Na arquitetura apresentada é instalado em ambiente urbano, onde cada habitação é dotada de

um dispositivo de medição juntamente com o dispositivo apresentado que permite a realização de

comunicações com a subestação de distribuição.

Também no controlo da iluminação urbana é possível aplicar sistemas NB-PLC. A manuten-

ção individual de cada lâmpada tem se vindo a tornar num processo cada vez mais difícil visto o

2.4 Filtragem 19

número das mesmas não parar de aumentar. Do mesmo modo a tecnologia cada vez mais enve-

lhecida que é utilizada na iluminação provoca um consumo pouco eficiente e gastos energéticos

elevados.

Com o objetivo de reduzir a manutenção no local que estes sistemas requerem, bem como

o excessivo consumo dos mesmos em [41] é apresentado um sistema baseado em NB-PLC com

modulação FSK que realiza comunicações a 80KHz.

Em conjunto com sensores de forma a obter informação sobre as falhas existentes e ainda

sobre a própria iluminação do local o sistema proposto tem como objetivo reduzir a supervisão

presencial e o próprio consumo energético por parte dos sistemas de iluminação.

Em [42] é também testado um sistema de monitorização de iluminação urbana onde são com-

parados os resultados da utilização dos standards PRIME e G3-PLC.

A deteção de avarias em linhas de transmissão, a gestão do fluxo de energia, e controlo e

monitorização do consumo energético da iluminação urbana são alguns exemplos que permitem

concluir que estes sistemas são capazes de oferecer serviços de monitorização e controlo que visam

o melhoramento do desempenho das aplicações em que são implementados como a diminuição de

gastos obtidos com a manutenção atuando ao nível da prevenção de avarias.

É possível então afirmar que a utilização deste tipo sistemas inteligentes, tanto em ambiente

urbano como em ambiente habitacional, tem como objetivo a redução do consumo energético

e consequentemente a diminuição do consumo de recursos naturais usados para a produção de

energia.

Este documento visa a elaboração de um sistema capaz de medir os consumos elétricos nas

várias tomadas presentes num espaço cuja alimentação é feita a baixa tensão. Com o objetivo de

informar os seus utilizadores acerca desses mesmos consumos o sistema proposto é semelhante

com os acima descritos na medida que utiliza a rede elétrica para comunicar, mede consumos

energéticos dos aparelhos ligados a tomada elétrica e transmite volumes de dados relativamente

pequenos. Posto isto podemos assim concluir que a implementação de um sistema Narrowband

PLC é uma boa escolha para cumprir os objetivos pretendidos.

2.4 Filtragem

A modulação do sinal digital a ser enviado possibilita o sinal de ser transmitido pela rede elé-

trica. Apesar disto é, ainda, necessário inserir e extrair o sinal na rede quando enviado e recebido,

respetivamente. A rede elétrica é um meio altamente hostil, com elevado ruído, variações de impe-

dância, perdas e o meio de transmissão da onda de potência de 230V/50Hz. Assim, é importante

garantir que o sinal transmitido não sofra alterações e mantenha as suas características ao longo do

seu caminho desde do emissor até ao recetor, mesmo estando sobreposto com um sinal de muito

maior tensão e menor frequência. Deste modo, é indispensável a existência de um circuito de aco-

plamento que impeça a influencia da onda da rede em todo o restante sistema, forneça isolamento

e permita inserir a onda modulada na rede elétrica. [43].

20 Revisão Bibliográfica

Um circuito de acoplamento pode ser, portanto, um simples circuito passa banda que permita

apenas a passagem da frequência de banda desejada. Simultaneamente, bloqueia as restantes

de forma a que o ruído e outros sinais presentes na rede não influenciem a onda modulada no

momento em que esta é lida pelo MCU [44].

2.4.1 Filtro LC

A filtragem de um sinal é por norma um passo importante em qualquer circuito eletrónico,

sendo que o filtro utilizado está intimamente ligado ao seu propósito. Embora existam vária for-

mas de desenhar um filtro estes podem ser categorizado em 4 grande categorias: filtros passa

baixo, passa alto, rejeita banda e passa banda. O primeiro visa maioritariamente eliminar altas

frequências, associadas a ruído, o segundo possui o efeito oposto, sendo que é comummente utili-

zado para a remoção da componente CC do sinal. Os últimos dois filtro, tal como o nome indica,

apenas se focam em admitir ou rejeitar frequências dentro de certos limites. Devido à natureza

deste projeto apenas o último tipo de filtro - passa banda - será abordado.

Tal como referido anteriormente existem várias formas de obter um filtro passa banda, sendo

possível recorrer a diferentes componentes eletrónicos. Uma dessas formas é através da utilização

de uma resistência ligada em série com um paralelo de uma bobine e um condensador, como

representado na Figura 2.7

Figura 2.7: Filtro RLC Passa Banda em Paralelo

O objetivo deste filtro é assegurar que todas as frequências não desejadas são atenuadas. Um

filtro passa banda pode então ser caracterizado pela largura de banda (LB) e pela frequência central

( fC), isto é, permitirá que apenas as frequências entre fc− LB2 e fc +LB2 não sejam atenuadas.

Com o objetivo a obter a frequência central é necessário deduzir a função de transferência do

circuito, ou seja:

VoVi

= H(s) (2.1)

Através das Leis de Kirchhoff obtém-se que:

V0−ViR

+V0ZC

+V0ZL

= 0 (2.2)

2.4 Filtragem 21

sendo ZC e ZL

ZC =1

sC(2.3)

ZL = sL (2.4)

Desenvolvendo 2.2 é possível obter H(S):

V0Vi

=sL

sL+ s2CLR+R→ H(s) (2.5)

Dado que Vo =H(s)∗Vi então, para que, nas frequências desejadas, a tensão de saída seja igualà tensão de entrada (Vo =Vi) é necessário que H(s) = 1. Resolvendo 2.5 em ordem a s obtém-se:

H(s) = 1⇔ sLsL+ s2CLR+R

= 1⇔ sL = sL+ s2CLR+R (2.6)

A partir de (2.6) é possível obter que:

s =

√−1CL

(2.7)

como s = j ω e ω = 2π fc então:

fc =1

2π√

CL(2.8)

A largura de banda é definida pela subtração das frequências cuja atenuação é de -3DB. De

forma semelhante ao procedimento anterior, resolvendo H(s)DB =−3DB e subtraindo as frequên-cias obtidas concluí-se:

LB =1

RC(2.9)

No entanto esta é apenas uma possível implementação para um filtro passa banda. Outra

poderia ser a ligação em série de uma bobina e de um condensador, como na Figura 2.8.

Figura 2.8: Filtro RLC Passa Banda em Série

22 Revisão Bibliográfica

Após a análise do circuito é simples concluir que a impedância equivalente, Zeq, é dada por:

Zeq = ZC +ZL =1

sC+ sL =

1+ s2 LCsC

(2.10)

para que v0 ≈ vi, Zeq tem de ser nula, logo:

1+ s2 LCsC

= 0⇔ 1+ s2 LC = 0⇔ s2 = −1LC

(2.11)

novamente, como s = jω e ω = 2π fc, obtém-se:

fc =1

2π√

LC(2.12)

Figura 2.9: Várias respostas em frequência do filtro LC em paralelo para diferentes configurações

Como pode ser observado uma diferente combinação de L, C e R, traduz-se num determinado

valor de fc e LB tal como deduzido nas equações 2.9 e 2.12. Analisando a figura 2.9 podemos

verificar que uma alteração de R ou C provoca uma variação em LB enquanto que a mudança de

C e L provocará consequentemente uma variação inversamente proporcional em fc. Na figura será

preciso ter em atenção à escala utilizada no eixo x que é logarítmica e que leva a uma representação

não uniforme dos espaços e ainda ás unidades das frequências apresentadas na legenda que se

encontram em Hz e na figura em rad/s.

O passa banda, como referido, permite a passagem do sinal modulado do circuito para a rede

e vice-versa, bloqueando as frequências e sinais indesejados. É, ainda, necessário proteger todo

o sistema das tensões elevadas presentes na rede, assim como picos de tensão e corrente que são

comuns na rede elétrica. Como referido em [45] um transformador de acoplamento juntamente

com um filtro passa baixo concedem a proteção desejada ao utilizador e filtram o sinal proveniente

da rede, impedindo este de influenciar a onda recebida/enviada.

2.5 Medição 23

2.5 Medição

Uma das funcionalidade do projeto é a medição de corrente e tensão e, consequente, cálculo

da potência. É possível, portanto, afirmar que o sistema desenvolvido é também um Contador de

Energia Automático, ou, em inglês, Automatic Meter Reading (AMR).

As medições das grandezas requeridas são processos relativamente fáceis de executar. Alguns

dos processos mais comuns são descritos no documento [46] fornecido pela Texas já com o intuito

de auxiliar a construção de um AMR. A corrente pode então ser medida por alguns dos seguintes

equipamentos:

• Transformador de corrente: O princípio de funcionamento é semelhante aos transformado-res de tensão, a corrente no enrolamento secundário é mais baixa à do enrolamento primário

segunda uma razão indicada pelo próprio fabricante. Aos terminais do secundário pode ser

colocada uma resistência que permitirá o cálculo da corrente segundo a lei de Ohm.

Desta forma, a saída será uma tensão proporcional ao nível de corrente que, poderá ser lida

por um MCU oferecendo ainda isolamento elétrico ao resto do circuito.

• Resistência "Shunt": Semelhante ao uso do transformador de corrente este método assentana lei Ohm. Apesar de ser um solução de baixo custo de ser de fácil instalação e de uso,

apresenta um precisão de medida reduzida e não oferece isolamento elétrico, o que pode ser

problemático.

• Sensor de corrente baseado no efeito de Hall: O princípio de funcionamento baseia-se nadiferença de potencial criada por um condutor elétrico quando submetido a um campo mag-

nético. Essa diferença de potencial está presente na saída, e é proporcional à corrente que

atravessa o condutor que, neste caso, é a corrente utilizada pela equipamento a ser monito-

rizado.

Para a medição da tensão o processo mais simples e eficaz é o uso de um divisor de tensão

juntamente com um transformador de tensão.

A tensão aos terminais de R2, que pode ser calculada segundo 2.13, seria a tensão pretendida

que iria ser proporcional à tensão utilizada pelo equipamento a ser monitorizado.

Vout =Vin ·R2

R1+R2(2.13)

Estas técnicas de sensorização fornecem amostras instantâneas da tensão e corrente. Para o

cálculo em corrente alternada é necessário proceder ao cálculo do valor eficaz dos valores adquiri-

dos, onde N representa o número de amostras obtidas e será definido no micro-controlador usado

consoante o numero de amostras pretendidas por unidade de tempo.

VRMS =

√1N·

N

∑i=1

Vsamp(i) ·Vsamp(i) (2.14)

24 Revisão Bibliográfica

IRMS =

√1N·

N

∑i=1

Isamp(i) · Isamp(i) (2.15)

Em que Vsamp(i) e Isamp(i) são valores amostrados no instante de tempo i.

Com os valores eficazes calculados podemos calcular as potências associadas ao aparelho sob

medição.

Pot.Aparente =VRMS · IRMS (2.16)

Pot.Ativa =1N·

N

∑i=1

Vsamp(i) · Isamp(i) =VRMS · IRMS · cosφ (2.17)

cosφ =Pot.Ativa

Pot.Aparente(2.18)

Assim com 2.16 obtemos a potência que o aparelho consome. Nem toda a potência consumida

pelo aparelho é a potência útil. Por isso, poderá ser conveniente calculá-la de modo a que seja

possível observar a eficiência a que o aparelho funciona. A essa eficiência dá-se o nome de fator

de potência e calcula-se segundo 2.18

2.6 Processamento, receção e envio de dados

Este documento tem como principal objetivo produzir um sistema, baseado na tecnologia PLC,

capaz de monitorizar os consumos dos vários aparelhos elétricos domésticos presentes numa habi-

tação e, apresentar o resultado ao seu utilizador. Este procedimento requer portanto uma estrutura

que permita um fluxo continuo de dados entre os vários dispositivos bem como uma forma de

apresentar as leituras e resultados obtidos ao próprio utilizador.

2.6.1 Sistemas

Com o intuito de entender como são organizados sistemas PLC e qual o papel que a unidade

de processamento de dados detém neste processo, é aqui feito um levantamento de alguns siste-

mas exemplo que usaram diferentes micro-processadores e técnicas de modulação para tratar da

informação presente no sistema para que a mesma consiga ser partilhada dentro do mesmo.

Em [47] é apresentado um sistema adequado para a implementação de comunicação em sis-

temas de medição automática, controlo de alarmes etc, que usa como gerador e processador de

informação um PIC (Peripheral Interface Controller), mais concretamente um PIC 16F876.

No sistema PLC apresentado podem ser visualizados dois dispositivos entre os quais é estabe-

lecida a comunicação. Um tem a função de receber informação dos sensores utilizados e inserir a

mesma na rede elétrica, enquanto que o outro está encarregue de receber essa mesma informação

de forma a processa-la.

2.6 Processamento, receção e envio de dados 25

Em ambos é possível identificar 4 principais estágios de operação. Do lado do transmissor

o percurso dos dados passa primeiro pela sua aquisição, conversão dos dados em paralelo para

série, modulação e por fim inserção da informação na rede elétrica através de um circuito de

acoplamento. A função deste componente é portanto modular a informação recebida, com recurso

à modulação OOK, para depois através do circuito de acoplamento inserir essa informação na rede

elétrica de forma de segura fornecendo ao mesmo isolamento da rede.

Do lado do recetor o percurso é semelhante mas é feito de forma contrária estando os mesmos

estágios presentes com funções semelhantes. As diferenças são no caso da modulação onde no

caso do recetor é feita a desmodulação da onda, a conversão dos dados é feita de forma a ob-

ter novamente a informação na sua forma paralela original, e por último os dados recebidos são

passados para outra unidade apresentada no sistema como data sink.

Neste sistema, com base no componente LM556CN é construido um oscilador com o objetivo

de diminuir os efeitos da distorção provocados pelo meio de transmissão, sendo assim componente

essencial na modulação dos dados transmitidos. Assim os dados passam a ser transportados por

uma onda retangular, portadora de uma frequência muito mais elevada que o baud rate utilizado

pelo MCU. Esta diferença de frequências é essencial para a transmissão uma vez que permite uma

transmissão de dados a uma frequência constante permitindo dotar o sinal enviado da frequência

desejada.

Com isto é assegurada a comunicação com sucesso utilizando a rede elétrica como meio de

transmissão utilizando para isto um sistema baseado na modulação OOK que tem como unidade

de processamento de dados um PIC 16F876 cuja principal função é transformar os dados recebidos

em paralelo para série para permitir a inserção destes na rede elétrica.

Já o sistema de comunicações apresentado em [48] é baseado em modulação OFDM onde

as funções de processamento são asseguradas pelo circuito integrado da Xillinx, o XC2VP20. O

sistema apresentado conta com duas secções distintas, uma de transmissão e outra receção de

dados.

A transmissão de sinal passa pela codificação de dados recebidos, transformação dos mesmos

de paralelo para série, modulação e inserção na rede elétrica através de um circuito de acopla-

mento. Tal como já mencionado a modulação usada é feita com recurso a modulação OFDM que

por sua vez utiliza QPSK na modulação das suas ondas subportadoras.

Esta escolha exige uma capacidade de processamento mais elevada daí a escolha do chip apre-

sentado onde os recursos necessários para a aplicação da modulação OFDM, apesar de serem ele-

vados, apenas consomem cerca de 3% dos recursos totais do mesmo. Este facto permitiu atingir

uma capacidade transmissão relativamente elevada visto que a velocidade de transmissão atingiu

os 115 Kbit/s.

A performance do sistema apresentado pode-se considerar elevada dada a sua velocidade de

processamento e transmissão mas este facto representa um custo bastante elevado do sistema. Este

facto deriva dos componentes usados que apresentam um custo elevado, principalmente a unidade

de processamento utilizada. O elevado custo que a implementação deste sistema apresenta pode

revelar-se um obstáculo na altura de adotar este para a realização de comunicações na rede elétrica.

26 Revisão Bibliográfica

Já em [49] é apresentado um sistema que utiliza a modulação em onda monoportadora, mais

concretamente FSK, para implementação de um sistema de comunicações indicado para a medição

do gasto elétrico de aplicações elétricas presentes em habitações.

O sistema tem então a função de receber e enviar dados relativos aos consumos elétricas de

diversos aparelhos elétricas presentes nas habitações usando a rede elétrica como meio.

Neste caso a arquitetura utilizada conta com dois módulos distintos: um que realiza as funções

de medição de energia utilizada e transmissão de informação pela rede e outro que recebe essa

informação e a envia para o utilizador.

Apesar dos módulos apresentarem funções distintas ambos têm na sua composição um MCU,

o MSP430 específico para sistemas de sensorização de tensão e corrente, e um modem PLC mais

concretamente o ST7540. No caso do módulo de medição e transmissão o MCU tem como fun-

ção converter os valores recebidos pelos sensores em formato digital bem como de os interpretar

através de cálculos e ainda enviar os mesmo para o modem PLC. Este por sua vez atua como o

transmissor de dados de todo o módulo para a rede elétrica visto que modula o sinal recebido com

recurso a uma onda portadora juntamente com a técnica BPSK à frequência de 132 KHz.

Para o módulo de receção a informação é recebida pelo mesmo modem PLC que desta vez

tem a função de desmodular a onda recebida e enviar a informação para o MCU. Este verifica a

qualidade dos dados recebidos através de testes de verificação bem como cálculos para o uso de

energia.

Neste sistema a informação é apresentada ao utilizador através de um módulo Wi-Fi que recebe

os dados provenientes do MCU e os envia para uma web cloud de forma a permitir apresentar a

informação numa página web.

Aqui é portanto apresentado um sistema com um custo relativamente reduzido que obtém

eficazmente o consumo energético de vários aparelhos domésticos e apresenta ao utilizador de

forma simples os consumos obtidos com base numa arquitetura PLC e MCU e que realiza com

sucesso as tarefas necessárias sem comprometer o funcionamento de todo o sistema.

Tal como podemos concluir existem dois processos essenciais na elaboração de um sistema

PLC, o primeiro é então a modulação/desmodulação da onda enviada/recebida pela rede elétrica

de forma a que a informação consiga viajar pela rede de transportando a informação presente no

sistema.

Neste passo o sistema deverá ser capaz de aplicar uma técnica de modulação de forma a dotar

a onda recebida das características já apresentadas, para que a mesma atravesse a rede elétrica sem

que sofra interferências e mantenha a informação que contém intacta.

O outro, igualmente importante, será processar a informação recebida pelos sensores utilizados

e ainda receber/enviar de/para a rede elétrica com os devidos filtros e circuitos de acoplamento de

forma a que o sistema seja eletricamente seguro. A modulação da onda pode ser feita por um

integrado próprio que assegure a frequência e forma de onda desejadas, como um conjunto de

componentes que juntamente com o MCU consigam criar uma onda modulada para que esta seja

capaz de atravessar a rede elétrica.

2.6 Processamento, receção e envio de dados 27

Esta mesma arquitetura pode ser visualizada na figura seguinte 2.10 onde a modulação/desmodulação

é feita no bloco "Dispositivo PLC"enquanto que no bloco "Computador"é feito o processamento

da informação.

Circuitodeacoplamento

DispositivoPLC

Computador

Circuitodeacoplamento

DispositivoPLC

Computador

Fase

Neutro

Figura 2.10: Sistema PLC

Uma vez que estes componentes estejam funcionais a informação será recebida e enviada por

outras unidades semelhantes, estabelecendo-se assim uma arquitetura de comunicação.

2.6.2 Arduino

Arduino é uma plataforma Open-Source fácil de usar que permite a elaboração de projetos de

complexidade média. As placas Arduino são MCUs que têm a capacidade de receber uma vari-

edade enorme de entradas, bem como transforma-las em saídas. A par disto, possui um desenho

físico que permite a fácil conexão com hardware exterior a partir do uso de fios elétricos, sem que

seja necessário qualquer tipo de montagem adicional. Oferece ainda um ambiente de desenvolvi-

mento integrado (IDE) para as suas placas, baseado na linguagem de programação C e C++ , onde

existem são disponibilizados vários exemplos para ajudar à sua familiarização.

De acordo com [50, 51], hoje em dia existem várias soluções que oferecem todas as carac-

terísticas pretendidas de forma eficiente para a resolução do problema, no entanto, a plataforma

escolhida foi a Arduino. Esta escolha deve-se ao facto de existir uma grande facilidade na adi-

ção/remoção de hardware, de existir um elevado nível de familiaridade na sua utilização e, ainda,

uma enorme comunidade que oferece um grande nível de apoio, de onde podem ser retirados

exemplos e fazer eventuais esclarecimentos de dúvidas.

A placa escolhida foi então a Arduino Leonardo. Esta escolha baseou-se na relação quali-

dade/preço, ou seja, reduzido valor monetário sem comprometimento do correto funcionamento

de todo o sistema. De modo a facilitar a escrita do documento a expressão O Arduino"irá referir-se

à placa usada.

28 Revisão Bibliográfica

De modo a comunicar com outras unidades semelhantes ou computadores e outros dispositivos

o Arduino possui uma porta série que permite a comunicação conhecida como Comunicação Série.

Esta interação, acontece pelos pinos 0 (Rx) e 1 (Tx) e usa para comunicar o protocolo UART

(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). A comunicação com o computador é feita por

ligação USB.

Apesar de ser muito semelhante ao modulo Uno, o exemplo escolhido fornece uma conexão

USB melhorada que poderá ser uma vantagem no decurso da dissertação.

As características fundamentais do MCU para este projeto são as seguintes:

• Micro-controlador ATmega32u4

• I/O 20 Digital pins, dos quais 7 podem ser usados como PWM

• 12 entradas analógica

• Memória flash: 32 KB

• SRAM: 2.5KB

• EEPROM: 1 KB

• Velocidade de Relógio: 16 MHz

Capítulo 3

Simulação do Sistema

Após o estudo das tecnologias utilizadas e processos necessários para a resolução do problema

no Capítulo 2, segue-se a implementação do projeto.

Neste capítulo, é descrita a idealização da solução para o problema descrito anteriormente.

Antes de proceder à montagem do sistema, foi necessário recorrer ao uso de simulações que

permitiram chegar à solução pretendida. O contacto direto com a rede elétrica é feito constan-

temente e, por isso, o uso de simulações é uma forma de correr menos riscos durante a imple-

mentação do projeto. Numa simulação a alteração de componentes é feita sem grande esforço

permitindo chegar a uma solução mais rapidamente.

O software utilizado para a simulação de circuitos foi o Multisim. A escolha deste programa

baseou-se na familiaridade prévia aquando o início da dissertação.

3.1 Comunicação

Neste projeto podemos dividir a comunicação em dois segmentos:

• Na transmissão e receção de dados, assegurada pelo MCU.

• Na filtragem e modulação/demodulação da onda digital, que possibilita a ligação à redeelétrica permitindo a inserção e captação da mesma na rede elétrica.

O primeiro passo é, portanto, a escolha do MCU.