universidade federal do parÁ instituto de …ppgee.propesp.ufpa.br/arquivos/teses/td 08_2017 edvar...

UNIVERSIDADEFEDERALDOPARÁINSTITUTODETECNOLOGIA

PROGRAMADEPÓS-GRADUAÇÃOEMENGENHARIAELÉTRICA

TESEDEDOUTORADO

SMARTCOM:UMAARQUITETURAINTELIGENTEDEGERENCIAMENTODECONSUMODEENERGIAPARASMARTHOME

EDVARDALUZOLIVEIRA

TD: 08/2017

UFPA/ITEC/PPGEECampusUniversitáriodoGuamá

Belém-Pará-Brasil2017

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TESEDEDOUTORADO


EDVARDALUZOLIVEIRA

TD: 08/2017



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EDVARDALUZOLIVEIRA


TesededoutoradosubmetidaaBancaExaminadora do Programa de Pos-GraduaçaoemEngenhariaEletricadaUFPA para a obtençao do Grau deDoutor em Engenharia Eletrica naareadecomputaçãoaplicada.



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EDVARDALUZOLIVEIRA

ESTA TESE FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE DOUTOR EMENGENHARIA ELÉTRICA, E APROVADANA SUA FORMA FINAL, PELA BANCA EXAMINADORA,DESIGNADA PELO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DOINSTITUTO DE TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ EM 25 DE AGOSTO DE2017.BANCAEXAMINADORA:

____________________________________________________________________________________________Prof.Dr.CarlosRenatoLisboaFrancês(ORIENTADOR–PPGEE/UFPA)

____________________________________________________________________________________________Prof.Dr.NandamudiLankalapalliVijaykumar(MEMBROEXTERNO–INPE/LAC)

____________________________________________________________________________________________Prof.Drª.FernandaCarlaLimaFerreira(MEMBROEXTERNO–UNIFESSPA)

____________________________________________________________________________________________Prof.Dr.CláudioAlexJorgedaRocha(MEMBROEXTERNO–IFPA)

____________________________________________________________________________________________Prof.Dr.MarcelinoSilvadaSilva(MEMBROFCT/UFPA)

VISTO:____________________________________________________________________________________________

Prof.Dr.EvaldoGonçalvesPelaes(COORDENADORPPGEE/UFPA)

BELÉM/PA

2017

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Eutenhosidoumhomemdesortenavida,nadaveiofácilparamim.

(SigmundFreud)

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AGRADECIMENTOS

ADeus,porsefazerpresenteemtodososmomentosdeminhavida,eportermeconcedidoestaoportunidadederealizarumsonhotãograndioso.

Àminhafontedeinspiração,minhaamadamãe.Éimpossívelescrevernesteespaço o quanto sou grato pela excelente vida que me deste, seu empenho,dedicação e amor por mim, me fez vencer diversos desafios e tudo queconquisteinavidaéfrutodeseusensinamentos.Euteamomuito.

Aos meus pais, Barral, Tadeu, Lúcio, e ao meu irmão Élito que sempreacreditaram em mim, incentivando-me a nunca desistir dos meus sonhos epresentesemtodosmomentosdaminhavida,avocêsummuitoobrigado.

ÀminhaamadaesposaThays,omelhorpresentequeDeuscolocouemmeucaminho - acima de tudo é uma grande amiga, companheira, confidente epaciente-oanjoaquemeuseiquesemprepossoconfiar.

ÀminhaprincesaEsther,quedeusignificadoatudoemminhavida,inclusivesendoa inspiraçãodetantoempenhoparaconclusãodoutorado.Semvocênãosounada,teamo.

Aomeu filho canino Apolo, queme fez perceber que Deus criou tão belascriaturas,fiéis,carinhosaseprotetoras.

Àminhafamília,quesempremeajudou,incentivouecuidoudecadafasedemeucrescimento,comofilho,sobrinho,genroepai,alémdetudoumserhumanomelhor.

Ao meu orientador e amigo, prof. Renato Francês, por todos os preciososensinamentos, por sempre acreditar que eu sou capaz, pela amizade e,principalmente,pornuncadesistirdemim,minhadívidaéeterna.

Aos amigos e irmãos Ádamo, Diego, Jams, Marcelino e Renato, agradeço acadamomento que passei com vocês e, principalmente, por tê-los conhecidos.Estejamosunidosparasempre,minhagratidãoemeuamorporvocês.

AosmeusamigosdoLPRAD(Evelyn,Eulália,Penha,Amado,Tássio, Jailton,Patrick, Sérgio, Suzane, Hans, Carlos Natalino, Paulo, Priscila e Laura) e LEA(Liane, Marcos e Lamartine), que sempre me ajudaram no trabalho, muitoobrigado.

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Aos professores (e amigos) João Weyl, Nandamudi Vijaykumar e SolonCarvalhoquesempresedispuserameestiverampresentesparameajudarnostrabalhos.

Aos meus alunos Alfaia, Anderson, Lucky, Victor e a todos os outros doLaboratório de Tecnologias para comunicação de Dados (LTCD) da UFRA, quefazempartedestecrescimentoacadêmico,ummuitoobrigado.

ÀUFPAeaoPPGEE,portermeacolhidocomoalunodedoutoradoduranteessesanos.

AoCNPqeàCAPESpelofomentodapesquisarealizada.

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SUMÁRIOLISTADEFIGURAS..............................................................................................................................xLISTADETABELAS..........................................................................................................................xiiLISTADEABREVIATURAS...........................................................................................................xiiiRESUMO...............................................................................................................................................xivABSTRACT............................................................................................................................................xvCAPÍTULO1–INTRODUÇÃO.........................................................................................................11.1–MotivaçãoeCaracterizaçãodoProblema...................................................11.2–Objetivos................................................................................................................31.3–OrganizaçãodoTrabalho.................................................................................5

CAPÍTULO2–SMARTGRID............................................................................................................72.1–ConsideraçõesIniciais.......................................................................................72.2–DefiniçõeseCaracterísticasdosSmartGrids............................................82.3–ObjetivosdosSmartGridS.............................................................................112.4–DesafiosdaINTEGRAÇÃODASRedesdeTransmissãodeDados.....122.5–ModelosdeReferênciaparaImplementaçãodasRedesdeTransmissãodeDadosdosSmartGrid...............................................................132.6–Modelosdeinteroperabilidade...................................................................172.6.1-InteroperabilidadeparaSmartGrid..................................................................182.6.2–InteroperabilidadeparaSmartHome..............................................................21

2.7–ConsideraçõesFinais......................................................................................24CAPÍTULO3–LÓGICAFUZZYAPLICADAÀSMARTCOM................................................263.1–ConsideraçõesIniciais....................................................................................263.2–INTELIGÊNCIACOMPUTACIONAL...............................................................263.3–LÓGICAFUZZY....................................................................................................283.3.1-FunçãodepertinênciaeregrasFuzzy..............................................................293.3.2-RegrasFuzzy...............................................................................................................313.3.3-EstruturadocontroladorFuzzy.........................................................................32

3.4–ConsideraçõesFinais......................................................................................33CAPÍTULO4–TRABALHOSCORRELATOS............................................................................344.1–ConsideraçõesIniciais....................................................................................344.2–PanoramabrasileirodeSmartGrid...........................................................344.3–Estadodaarte....................................................................................................404.3–ConsideraçõesFinais......................................................................................53

CAPÍTULO5–SmartCoM:UMAARQUITETURADEGERENCIAMENTODECONSUMOINTELIGENTEPARASMARTHOME...................................................................545.1–ConsideraçõesIniciais....................................................................................545.2–DefiniçãodoEscopodaTese........................................................................545.3–DesigndaarquiteturaSmartCom...............................................................555.3.1–nuvemeaplicaçõeslocais.....................................................................................615.3.2–unidadecentralenósdemedição.....................................................................61

5.4–Smartcom:ModelagemeImplementaçãodoprotótipo......................655.4.1–DesigndoHardware...............................................................................................655.4.2-Designdosoftware...................................................................................................67

5.5–ConsideraçõesFinais......................................................................................73

ix

CAPÍTULO6–ESTUDODECASO...............................................................................................756.1–Consideraçõesiniciais....................................................................................756.2–MediçãodoconsumodeenergiaeacionamentoviasoluçãoWebeDISPOSITIVOMóvel...................................................................................................756.3–Ampliaçãodaarquiteturaparamediçãoegerenciamentodoconsumodeenergiaemiluminaçãoresidencial.............................................786.4–USODELógicaFuzzyparareduçãodoconsumodeenergia.............876.4.1–Variáveisdeentrada...............................................................................................886.4.2-Basesderegraseinferência.................................................................................906.4.3-SistemaFuzzy:Saída................................................................................................91

6.5–ConsideraçõesFinais......................................................................................99CAPÍTULO7–CONCLUSÃO.......................................................................................................1017.1–Contribuiçõesdatese...................................................................................1027.2–Trabalhosfuturos..........................................................................................1047.3–DificuldadesEncontradas...........................................................................104

REFERÊNCIASBIBLIOGRÁFICAS............................................................................................106

x

LISTADEFIGURAS

FIGURA1.1–MODELOCONCEITUALDAARQUITURAPROPOSTAPARASMARTHOMESOBUMANUVEMDESERVIÇOSDACONCESSIONÁRIA..................................................................................3

FIGURA2.1–INTERAÇÃOENTREOSATORESDEDIFERENTESDOMÍNIOS......................................15FIGURA2.2–DIAGRAMACONCEITUALDEREFERÊNCIAPARAAREDEDETRANSMISSÃODE

DADOSDOSMARTGRID................................................................................................................16FIGURA3.1-FUNÇÃODEPERTINÊNCIATRAPEZOIDAL...................................................................30FIGURA3.2-FUNÇÃODEPERTINÊNCIATRIANGULAR.....................................................................31FIGURA3.3-ESTRUTURABÁSICADEUMSISTEMADECONTROLEFUZZY......................................32FIGURA3.4-DEFUZZIFICAÇÃOTIPOCENTRODEÁREA...................................................................33FIGURA4.1–HISTOGRAMADASQUANTIDADESDEPROPOSTASEMSMARTGRIDATÉ2017.....40FIGURA5.1–CENÁRIOGERALDAARQUITETURASMARTCOM.......................................................59FIGURA5.2–DIAGRAMADAARQUITETURASMARTCOM..............................................................60FIGURA5.3–DIAGRAMAESTRUTURALDONÓDEMEDIÇÃO...........................................................66FIGURA5.4–DIAGRAMAESTRUTURALDONÓDEMEDIÇÃOPARAILUMINAÇÃORESIDENCIAL..66FIGURA5.5–PROTÓTIPODONÓDEMEDIÇÃO..................................................................................67FIGURA5.6–DIAGRAMADOSCOMPONENTESDACAMADADESERVIÇO(MIDDLEWARE)............68FIGURA5.7–DIAGRAMADECASODEUSOMACRODOMIDDLEWARE.............................................70FIGURA5.8-DIAGRAMADECASODEUSODASFUNCIONALIDADESDOWS..................................71FIGURA5.9-DIAGRAMACLASSEDOWEBSERVICE..........................................................................71FIGURA5.10–DIAGRAMAENTIDADERELACIONAMENTO..............................................................72FIGURA5.11-DIAGRAMADECLASSEDOAPLICATIVOMÓVEL........................................................73FIGURA6.1–SISTEMAWEBDEMONITORAMENTO........................................................................76FIGURA6.2–APLICAÇÃOMÓVEL(A)TELADEGERENCIAMENTODEELETRODOMÉSTICOS(B)

TELADEVISUALIZAÇÃODATENSÃO(C)ALERTAFUZZY........................................................77FIGURA6.3–GRÁFICODEVISUALIZAÇÃODOCONSUMO(KWH)....................................................77FIGURA6.4–VISUALIZAÇÃODACORRENTE......................................................................................78FIGURA6.5–VISUALIZAÇÃODATENSÃO...........................................................................................78FIGURA6.6–DIAGRAMACONCEITUALDOMODELODEGERENCIAMENTODEILUMINAÇÃO.......80FIGURA6.7-MONITORAMENTODEILUMINAÇÃO(DIA1)..............................................................81FIGURA6.8-MONITORAMENTODEILUMINAÇÃO(DIA2)..............................................................82FIGURA6.9-MONITORAMENTODEILUMINAÇÃO(DIA3)..............................................................82FIGURA6.10-MONITORAMENTODEILUMINAÇÃO(DIA4)...........................................................83FIGURA6.11-MONITORAMENTODEILUMINAÇÃO(DIA5)...........................................................83FIGURA6.12-MONITORAMENTODEILUMINAÇÃO(DIA6)...........................................................84FIGURA6.13-MONITORAMENTODEILUMINAÇÃO(DIA7)...........................................................84FIGURA6.14-INTERFACEDAAPLICAÇÃOPARACONTROLEMANUALDAILUMINAÇÃO...............85FIGURA6.15-OVERVIEWDOSISTEMAFUZZY...................................................................................88FIGURA6.16-ENTRADA“ÍNDICEDECONSUMO”NOSISTEMAFUZZY...........................................89FIGURA6.17-ENTRADA“%MÊS”NOSISTEMAFUZZY...................................................................90FIGURA6.18-REGRASDOSISTEMAFUZZY.......................................................................................91FIGURA6.19-SAÍDA“CONSUMOEXCEDIDO”NOSISTEMAFUZZY.................................................92FIGURA6.20-ENTRADA“%DOMÊS”NOSISTEMAFUZZY.............................................................93FIGURA6.21-ENTRADA“ÍNDICEDECONSUMO”NOSISTEMAFUZZY...........................................93FIGURA6.22-SAÍDANOSISTEMAFUZZY..........................................................................................94FIGURA6.23-MÉDIADOSDADOSOBTIDOSNOQUESTIONAMENTOCOMEQUIPAMENTOSNÃO

REORDENADOS..............................................................................................................................96

xi

FIGURA6.24-EQUIPAMENTOSREORDENADOSBASEADOSNAFÓRMULAIC................................96FIGURA6.25-RESULTADOAPÓSAUTILIZAÇÃODOPERFIL01......................................................97FIGURA6.26-RESULTADOAPÓSAUTILIZAÇÃODOPERFIL02......................................................98FIGURA6.27-RESULTADOAPÓSAUTILIZAÇÃODOPERFIL03......................................................99FIGURA6.28–APLICAÇÃOMÓVELPARAVISUALIZAÇÃODOSCONSUMOSBASEADOSNOSPERFIS.

.........................................................................................................................................................99

xii

LISTADETABELAS

TABELA4.1–SÍNTESEDOSTRABALHOSPESQUISADOS...................................................................48TABELA4.2–COMPARATIVODASPRINCIPAISFUNCIONALIDADESDAARQUITETURA

SMARTCOMEMRELAÇÃOAOSTRABALHOSREFERENCIADOSPARASMARTHOME.............52TABELA5.1–FUNCIONALIDADESDOWEBSERVICEREST...........................................................68TABELA6.1-VALOSDAVARIÁVELDIMMINGDEACORDOCOMAPOTÊNCIAESCOLHIDA............86

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LISTADEABREVIATURAS

ABINEE AssociaçãoBrasileiradaIndústriaElétricaeEletrônicaAMI AdvancedMeteringInfrastructureANEEL AgênciaNacionaldeEnergiaElétricaBR BasedeRegrasCEMIG CompanhiaEnergéticadeMinasGeraisHEMS HomeEnergyManagementSystems

IA InteligênciaArtificialIEC InternationalElectrotechnicalComission

IoT InternetofThings

IP InternetProtocolMCTI MinistériodaCiência,Tecnologia,InovaçõeseComunicaçõesMME MinistériodeMinaseEnergiaMOM Message-orientedMiddleware

NIST NationalInstituteofStandardsandTechnology

REST RepresentationalStateTransfer

REI RedesElétricasInteligentesSGED SistemasdeGerenciamentodeEnergiaDomiciliarTCP TransferControlProtocolTIC TecnologiadaInformaçãoeComunicaçãoUFPA UniversidadeFederaldoParáUFRA UniversidadeFederalRuraldaAmazôniaWS WebServices

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RESUMO

Comosavançosnatecnologiadainformaçãoparadiversasáreas,comosaúdee bem-estar, as soluções baseadas em Smart Home que usam as tecnologiasInternet of Things (IoT) vem ganhando maior repercussão, inclusive comoalternativasdeeconomiadeenergiacombaseemSistemasdeGerenciamentodeEnergia Domiciliar (SGED). Esta tese define uma arquitetura inovadora,denominada de SmartCoM, que é implementada para monitorar e gerenciarhabitações residenciais usando tecnologias IoT. Tal estratégia envolve adefinição dos parâmetros que podem efetivar a interoperabilidade entremedição, gerenciamento e as camadas de comunicação de dados, que são osrecursos necessários para que os dispositivos de hardware possam realizar omonitoramentoemediçãopretendidos.Alémdisso,umainterfaceédefinidaporuma camada de middleware para integrar o gerenciamento de instalaçõesexternaseavisualizaçãodedadospormeiodeumserviçoemnuvem.

A arquitetura SmartCoM é definida de maneira fim-a-fim, em detalhes doponto de vista do consumidor e as estratégias de otimização são empregadastanto para o cliente final quanto para a concessionária de energia. A fim deavaliaraarquiteturaproposta,foielaboradoumestudodecaso,apartirdoqual,observa-se a viabilidade do desenvolvimento de soluções paraSmartHome deacordocomosrequisitosdescritosnaSmartCoM.

PALAVRAS-CHAVE: Smart Grid;Middleware; Interoperabilidade; Smart Home;InternetofThings.

xv

ABSTRACT

Withadvancesininformationtechnologyforavarietyofareas,suchashealth

and wellness, Smart Home based solutions using Internet of Things (IoT)

technologiesaregaininginpopularity,includingenergy-savingalternativesbased

onHomeEnergyManagement Systems (HEMS).This thesis definesan innovative

architecture, called SmartCoM, which is implemented to monitor and manage

residencesusingIoTtechnologies.Suchastrategyinvolvesdefiningtheparameters

that can affect the interoperability betweenmeasurement,management and the

layersofdatacommunication,whicharetheresourcesnecessaryforthehardware

devices to perform the intended monitoring and measurement. In addition, an

interfaceisdefinedbyamiddlewarelayertointegratethemanagementofexternal

installationsandthevisualizationofdatathroughcloudservices.

TheSmartCoMarchitectureisdefinedend-to-endindetailfromtheconsumer's

pointofviewandoptimizationstrategiesareemployedforboththeendcustomer

and the utility. In order to evaluate the proposed architecture, a case studywas

elaborated, from which the viability of developing solutions for Smart Home

accordingtotherequirementsdescribedinSmartCoMisobserved.

Keywords: Smart Grid; Middleware; Interoperability, Smart Home; Internet of

Things.

1

CAPÍTULO1–INTRODUÇÃO

1.1–MOTIVAÇÃOECARACTERIZAÇÃODOPROBLEMA

Nosúltimosanos,opanoramadossistemasdeenergiasofreualteraçõesapósaintroduçãodenovosmodeloscomerciais,porexemplo,distribuiçãodeenergiaelétrica. Esses novos modelos permitem que os consumidores participemativamente com base nas experiências do Smart Grid, que por sua vez sãodefinidoscomoelementosdebordadestarede.Essaparticipaçãotornaocenáriomaiscomplexonoqueserefereaosserviços,umavezqueelevadesafios -porexemplo, quando integrando recursos de software e hardware. Isso ocorreporqueossistemasdeenergiaeasempresasdeenergiaoperamemambientesheterogêneos,oqueéumfatorestratégicoessencialparagarantirumcertograudesegurança(umacaracterísticainerenteaosetorelétrico).Alémdisso,tambémhá necessidade de incluir serviços que possam superar as redes elétricastradicionais.

Por conseguinte, é aconselhável conceber uma estratégia que possa serinteroperável entre todos os aspectos do setor eletrico (com todas as suasdiversas nuances). Além disso, o novo modelo deve cumprir os padrões daAgênciaReguladoradeEnergiaElétricaemrelaçãoàsupervisão,manutençãoecontrole,alémdeatenderaosseguintesrequisitos:confiabilidade,escalabilidade,gerenciamento, geração de fontes de energia renováveis e limpas,interoperabilidade e custo-efetividade. Todos esses recursos são especificadosnodomíniodoSmartGrid[Komninosetal.,2014].

Em geral, o Smart Grid pode ser considerado como uma rede que podegerenciar dispositivos elétricos em vários domínios e proporcionar eficiência,confiabilidade,segurançaequalidadedeserviços[NIST,2014].

Recentemente,arquiteturasdeSmartGrid,aliadasàutilizaçãodesoluçõesdeTIC, vem sendo pesquisadas para realizar o gerenciamento de interfaces decontrolededispositivoselétricosemdiversosdomínios(centrosdedistribuição,redesdomésticas,entreoutros).Aeficiênciadessecontroledependerádonívelde interoperabilidade especificado, por exemplo, para cada interface com a

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finalidade de estabelecer um mecanismo comum de compartilhamento deinformações. Especificações são definidas por diversas normas deinteroperabilidade para Smart Grid, criando um cenário desfavorável para odesenvolvimentodesoluçõesdemiddlewareparaalcançaraintegraçãodesejada.

ÉimportanteobservarqueosSmartGridssãosistemascomplexoscompostospordiversosoutrossubsistemascomplexos[NIST,2014],envolvendointegraçãoe interoperabilidade de diversas tecnologias de transmissão de dados. Alémdisso, existem outras preocupações dentro dos subdomínios do Smart Grid,principalmentevoltadasparacaracterísticasdereduçãodoconsumodeenergiapeloladodademanda,específicasdosSmartHome[Hoosain&Paul,2017].

Nestecasoemparticular,paraodomíniodeSmartHome,consideradocomoelemento de borda dos Smart Grids, diversas soluções ou modelos deinteroperabilidadesãodescritosparaquehajaumaformadeintegraçãoentreoselementosdemonitoramentodasconcessionáriaseasresidências.

Contudo, esta integração apresenta uma série de limitações que vão desdeinfraestrutura de comunicações a dificuldades de elementos de medição e deatuação.

Com base no cenário estabelecido para o desenvolvimento de aplicativosparaoSmartHome,foiconcebidaumanovaestratégiaquecombinasoluçõesdetecnologiadainformação,comunicaçõesavançadasesistemasdesensoresparacriar uma ampla gamade novas aplicaçõesSmartHome aliadas à Internet dasCoisas(doinglês,InternetofThings-IoT)[Stojkoska&Trivodaliev,2017].Essassoluções devem ser capazes de permitir controle remoto, acesso emonitoramento(daInternet)aumentandoassimaescalabilidadedasolução.

À luz do exposto, esta tese apresenta uma arquitetura inovadora parasistemas de gerenciamento de energia residencial (do inglês, Home EnergyManagement Systems - HEMS), nomeada de Smart Consumption ManagementArchitecture (SmartCoM),aqual tomacomobaseasdiretrizesestabelecidasnoIEEEGuideforSmartGridInteroperabilityofEnergyTechnologyandInformation

TechnologyOperationwiththeElectricPowerSystem(EPS),End-UseApplications,

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and Loads [IEEE2030, 2011], para a interoperabilidade e aplicabilidade dosSmartGrids,nocontextodoSmartHomeparatecnologiasIoT.

A arquitetura se caracteriza por ser flexível e incluir recursos tecnológicoschave, tais como: segurança de dados, modularidade, interoperabilidade,capacidade de gerenciamento remoto, o uso possível de heurísticas deinteligênciacomputacional,flexibilidadeereutilização.Alémdisso,aarquiteturaprocuraintegrarfatoresparaalémdodomínioSmartHome(oscaracterísticosdesistemasSmartGrid,porexemplo).SmartCoMtambémofereceumacamadadeinteroperabilidade que inclui um serviço de comunicação (paracompartilhamentodedados)comaconcessionáriaviaInfraestrutuadeMediçãoAvançada (do inglês, Advanced Metering Infraestructure – AMI), por meio deserviçosemnuvem,criando,assim,umúnicosistemade interface integrado.ApropostaévalidadapormeiodeumprotocoloHEMSprojetadodeacordocomosrequisitos de SmartCoM e cria um sistema proativo de controle domésticoutilizandológicaFuzzycomoheurísticadeapoioàtomadadedecisão.AFigura1.1ilustraomodeloconceitualdeutilizaçãodaSmartCoM.

Figura 1.1 – Modelo Conceitual da arquitura proposta para Smart Home sob uma nuvem deserviçosdaconcessionária.

Fonte:Autor.1.2–OBJETIVOS

O objetivo principal desta tese é especificar, desenvolver e validar umaarquitetura de middleware flexível para plataformas de Smart Home,denominada Smart Consumption Management Architecture (SmartCoM),

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considerando restrições de interoperabilidade em diversos níveis (protocolos,aplicações e dispositivos). A SmartCoM, alémde especificar as funcionalidadesmais habituais de monitoramento e gerenciamento do consumo de energia,tambémprevêapossibilidadedeinclusãodeheurísticasparatomadadedecisão.

Deformamaisespecífica,estapropostaapresentaosseguintesobjetivos:

• Projetare implementarumaarquiteturademiddlewaredepropósitogeral,baseadaemsistemasdesoftwareabertoselivres,considerandorestriçõesdeinteroperabilidadeemplataformasSmartHome;

• Projetar e implementar aplicações de interoperabilidade para SmartHome,visandoàrealizaçãodetestesnaSmartComenosprotótiposdemiddleware;

• Projetareimplementarprotótipodemiddleware,comvistasavalidarsuaimplantaçãoemambientesdeSmartHome;

• Agregar diferentes funcionalidades de monitoramento egerenciamento do consumo de energia que visem a informar aosusuáriosdosistemaoconsumoemtemporeal,paraquepartirdessesresultados,possahaverotimizaçãodeconsumo;

• Proporumaarquiteturatotalmentemodularparainclusãodetécnicasdeinteligênciacomputacionalparadiagnosticar,classificaroupreveroconsumodeenergiaresidencial;

• Realizar um amplo levantamento do estado da arte das áreascontempladasnestatese;

• Investigar os diversos modelos de padronização parainteroperabilidadedeSmartHomeexistentes;

• Identificare/ousugerirestratégiasparaintegraçãodecaracterísticasespecificas de cada modelo de interoperabilidade, a partir deimplementaçõesdeprotótipose/ousimulações;

• Realizar estudos exploratórios, em ambientes reais deconcessionárias, aplicando os conceitos apresentados na proposta, apartir de eventual execução de projetos de pesquisa edesenvolvimentocomasempresasdosetorelétrico;

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A hipótese a ser comprovada nesta tese diz respeito à necessidade de proverelementos de interoperabilidade nos mais diversos níveis em Smart Home,devido à grande quantidade de dispositivos de hardware e software,principalmentenoquetangeàssuascaracterísticasheterogêneas,paragarantira comunicação bi-direcional, medição, operação, supervisão e atuação. Essainteroperabilidade é possível ser alcançada pelas definições descritas naarquiteturaSmartCoM,propostanestatesededoutorado.

1.3–ORGANIZAÇÃODOTRABALHO

Estruturalmente, esta tese é composta por um capítulo de introdução, doiscapítulosderevisãobibliográfica(incluem-senestesumcapítulodeSmartGridseoutrodeInteligênciaComputacional),umcapítulonoqualsãoapresentadosostrabalhos correlatos aos assuntos atinentes a esta tese, um capítulo com odetalhamentodaarquiteturaSmartCoM,seguidoporumcapítulodevalidaçãodaarquiteturadetalahada.Aofinal,ocapítulodeconclusõesdestatese.Ospróximosparágrafosapresentamumasíntesedessescapítulos.

No Capítulo 2, é apresentado um estudo sobre osSmart Grids, no qual sãodescritasasprincipaisdefiniçõesecaracterísticaspresentesna literaturaafeitaaoassunto.Alémdisso,apartirdo levantamentodosobjetivosdosSmartGridsnoBrasil,EstadosUnidoseEuropa,discute-seosdiferentesenfoquesedesejosquepodemvariarderegiãopararegiãodomundo.Adicionalmente,tambémsãoabordados os conceitos e definições de interoperabilidade para o domínio deSmartHome,focoprincipaldestatese,queservemdealicerceparaaconstruçãoedefiniçãodaarquiteturaSmartCoM.

O Capítulo 3 descreve uma visão geral sobre as técnicas de inteligênciacomputacional e, de forma mais detalhada, a utilização de lógica Fuzzy paraauxíliona tomadadedecisãodousuário residencial, comefeitona reduçãodoconsumodeenergia.

O cenário atual de Smart Grid no Brasil e os trabalhos recentes e maisrelevantes relacionados às soluções de middleware para Smart Grid e Smart

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Home e, por conseguinte, correlacionados a esta proposta de tese, sãoapresentadosnocapítulo4.

No Capítulo 5, descrevem-se os detalhes da arquitetura SmartCom,apresentando-seoconceitogeraldaarquitetura,suasdefiniçõeseespecificaçõesparainteroperabilidadeemcenáriosdeSmartHome.

OestudodecasoelaboradoparademonstraraaplicabilidadedeSmartComéapresentado no Capítulo 6, no qual os cenários de testes são detalhados, asaplicaçõeseatecnologiadetransmissãodedadossãoanalisadas,osmodelossãoparametrizadoseosresultadosnuméricossãoavaliados.

Em seu Capítulo 7, esta tese discorre acerca das conclusões, principaiscontribuiçõesepossíveisdesdobramentosdestapesquisa.

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CAPÍTULO2–SMARTGRID

2.1–CONSIDERAÇÕESINICIAIS

Amodernizaçãodossistemasedainfraestruturadegeraçãoefornecimentodeenergiaelétricatemsidoumpontocentraldediscussõeseinvestimentosemdiversospaíses[Xue-songetal.,2010][Arnold,2011][Ruihuaetal.,2010][Jeju,2010] [Komninos et al., 2014] [Piatkowska et al., 2017] [Wang et al., 2017] etambémnoBrasil[Filhoetal.,2015][Filho&Filhoetal.,2015].

Com tal modernização, objetiva-se aumentar a eficiência energética, darsuporte para a total integração das fontes de energias renováveis e limpas,iniciar a transição para tais fontes, reduzir a emissão de gases causadores doefeitoestufa,aumentaraconfiabilidadeearobustezdossistemaselétricos,entreoutros.

A fim de realizar esse processo de modernização nos sistemas e nainfraestrutura de geração e fornecimento de energia elétrica, as empresas dosetor elétrico vêm explorando todas as potencialidades das soluções deTecnologiasdaInformaçãoeComunicação(TIC).

Aliadas a tais soluções de TIC, as empresas vislumbram também aparticipação dos consumidores no processo de controle e gerenciamento doconsumo, por meio de serviços oferecidos pela própria infraestrutura eequipamentos que permitam total gerenciamento emonitoramento inteligentedosutensíliosdomésticosconectados.

Os resultados deste avanço tecnológico são chamados de Smart Grid, queespecifica sete domínios de operação (discutidos com mais detalhes nestecapítulo),e,emespecial,odeSmartHome.

Os estudos em Smart Home devem ser compreendidos como parte de umdomíniovoltadoaoconsumidor final (usuário residencial),noquediz respeitoao consumo de energia, compreendendo uma infraestrutura que permite ogerenciamentointeligentedeutensíliosdomésticos,queutilizamtecnologiasdecomunicaçãodedados(redescabeadasounão),provendoumaintegraçãoentre

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os elementos e os softwares de gerenciamento, os quais facilitam o uso desistemas residenciais (por exemplo, a criação de perfis de utilização dosutensílios domésticos), com o foco na redução do consumo de energia[MussiToschietal.,2017].

Neste capítulo, serão abordados de forma detalhada os conceitos doSmartGrid,principalmentedaSmartHome-fococentraldestatese,querepresentaumcenárioonde todososelementosnecessáriosparaogerenciamento inteligentedo ambiente residencial dosdiversos usuários (atores) estão envolvidos.Alémdisso,tambémserãodiscutidasasnormasesoluçõesdeinteroperabilidadeparaintegraçãodesteselementos,bemcomoapossibilidadedeutilizaçãodesoluçõesdeInternetdasCoisasparaproveracessoremotoemqualquerlugar.

2.2–DEFINIÇÕESECARACTERÍSTICASDOSSMARTGRIDS

EmboranãohajaumconsensosobreadefiniçãoprecisadeSmartGridequaisseusobjetivos,todasasdefiniçõestornamclaraanecessidadedeutilizaçãodasTIC para a integração total dos dispositivos e dos serviços oferecidos pelossistemasdeenergiaelétrica,incluindoaintegraçãodetodosostiposdesistemasgeradoresdeenergiaelétrica,emespecial,aquelesbaseadosemenergiaslimpase renováveis, a fimdeaumentara eficiência, confiabilidadeequalidadede seuproduto.

AsprincipaisdefiniçõesdeSmartGridpresentesnaliteraturaincluem:

• EuropeanTechnologyPlatform: “éumaredeelétricaquepode,de formainteligente,integrarasaçõesdetodososusuáriosconectadosaela,afimde, eficientemente, fornecer uma energia sustentável, econômica esegura”[ETP,2010];

• US Department of Energy: “utiliza tecnologia digital para aumentar aconfiança, segurança e eficiência (econômica e energética) dos sistemaselétricos, desde a geração e distribuição até os consumidores, além doaumento do número de geradores distribuídos e recursos dearmazenamento”[DOE,2009];

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• UK Department of Energy and Climate Change: “Smart Grid utilizasensoriamento, processamento embarcado e comunicação digital parapermitir que a rede elétrica seja observável (para medir e visualizar),controlável (para gerenciar e otimizar), automática (para se adaptar ereconfigurar em caso de panes) e completamente integrada (parapermitir a interoperabilidade dos vários sistemas já existentes e comcapacidade de incorporar diversos conjuntos de recursos energéticos)”[DECC,2009].

Diversos estudos definem Smart Grid como um processo além dascaracterísticasdeSmartMetering, ou seja,processo inteligentede faturamentode consumo [Meltron&Ambrosio, 2010].De formageral,SmartGrid pode serentendido como uma rede capaz de gerenciar os dispositivos elétricos emdiversosdomínios,provendoeficiência,confiabilidade,segurançaequalidadedeserviços[Mahesh&Janake,2010][GridWise,2005][Matiasetal.,2010][Nelson&FitzPatrick,2011],comdestaqueparaasseguintescaracterísticas:

• Ecologicamentecorreta:SmartGriddeverãoutilizartodosostiposderecursos renováveis, minimizando, gradualmente, a necessidade deutilizaçãode fontesde energia emissorasde gás carbônico e usinasnucleares;

• Geração distribuída: fontes de energia renováveis não podemsubstituirdiretamenteossistemasexistentes,vistoqueestesúltimos,já estão bem consolidados e os geradores que utilizam as fontesrenováveis não são suficientes para atender a demanda existente.Assim, gradativamente, as fontes renováveis serão inseridas nosistema elétrico suprindo demandas locais, compondo assim umsistemadegeraçãodistribuídoeinterligado;

• Confiabilidade: utilizar tecnologias de ponta e inteligentes parapermitiracomunicaçãoeatrocadeinformaçõesemtemporealentregeração, transmissão, distribuição e consumidores, para assimeliminar a necessidade de interferência humana nas tomadas dedecisãoparaaproteçãodosistema;

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• Flexibilidade: permite aos operadores do sistema escolher asmelhores transações financeiras. Diferentes tecnologias degerenciamento de demanda e várias formas de geração serãopossíveis.Istoirádiversificarasopçõesdeoperaçãoqueirãoauxiliarno cumprimento das metas de confiabilidade, ambientais eeconômicas;

• Eficiência: a transmissão de energia elétrica apresenta uma altaeficiência,enquantoqueadistribuiçãopossuiumabaixaeficiência.Jápara a geração de energia, em muitos casos o sistema opera combaixaeficiênciadevidoarestriçõesoperacionais.EmSmartGrid,comasgeraçõesdistribuídas,aseparaçãoclássicaentreostiposderedesdeixa de existir, as redes de distribuição irão compartilhar asresponsabilidades das redes de transmissão.Necessita-se, então, desistemasaltamenteeficientesemtodosossetores;

Deformageral,osSmartGridpossuemumconjuntodenovascaracterísticas,quandocomparadocomossistemaselétricos tradicionais,destacando-se [Xue-Songetal.,2010]:

• Auto-recuperável: realiza continuamente a avaliação on-line e o pré-controledefalhasdarededeenergiaelétrica;

• Interativo:proporcionainteraçõesinteligentesentreascorporaçõeseosclientes a fim de que haja, nos dois sentidos, fluxo de energia, deinformaçõesedecapital;

• Robusto:capazde identificarerespondermelhoradesastresdeorigemhumanaenatural;

• Otimizado: apresenta melhorias na utilização de ativos da rede, nareduçãoefetivadoscustosoperacionaisedemanutenção,nareduçãodoscustosdosinvestimentosenocontroledaperdadeenergia;

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• Compatível: apresenta compatibilidade e interoperabilidade entresistemas de geração de energia centralizada e sistemas de geração earmazenagemdistribuídos;

2.3–OBJETIVOSDOSSMARTGRIDS

AssimcomoadefiniçãodeSmartGridnãoéprecisa,seusobjetivostambémpodemvariardepaísparapaís.NoBrasil,porexemplo, tem-secomoprincipalobjetivoaeficiênciaenergética,enquantoquenaEuropaéodesenvolvimentodeumsistemaconfiávelcapazdesupriraescassezdeenergiaelétrica.

NoBrasil,podem-seenumerar,comoprincipais,osseguintesobjetivos:

• Aumentaraeficiênciaenergética;• Aumentar a confiabilidade do sistema, reduzindo as possibilidades de

apagões;• Diminuirasperdascomerciais–popularmenteconhecidascomo“gatos”;• Aumentaradisponibilidade/capilaridadedosistemadeenergiaelétrica:

citandoCyroVicenteBoccuzzi,Pres.doConselhodoFórum2010LatinoAmericanodeSmartGrid:“emalgunscasos,émaisbaratoobterenergiade células solaresdoque solicitaro atendimentoda concessionária, emregiõesdistantes”[FLASG,2010].

• Atenderàlegislaçãoambiental.

NaEuropa,destacam-se[ETP,2010]:

• Desenvolver um sistema flexível, capaz de atender a todas asnecessidadesdosconsumidores–diminuiraescassezdeenergiaelétrica;

• Garantirconexãoatodososnovosusuários,especialmenteaosgeradoresbaseados em fontes de energia renováveis e limpas, diminuindo adependênciadeenergianuclear;

• Garantirsegurançaequalidadedeenergiacompatívelcoma“eradigital”;• Operar com o menor custo em um cenário de inovação, eficiência

energética e alto nível de competição e regulamentação – diminuir ospreçoselevados;

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• Integrarcomacomunidadeecomoutrosserviços(gás,água,segurança,Internet,TVacaboetc.).

Enquanto quenosEstadosUnidos, tem-se comoprincipais objetivos [NIST,2014]:

• Aumentaraconfiabilidadeeaqualidadedosistemaelétrico;• Melhoraracapacidadeeeficiênciadasredeselétricasexistentes;• Aumentar a resistência e a capacidade de recuperação contra eventos

naturaiseataquescibernéticos(atentadosterroristas);• Acomodar toda nova solução de geração, principalmente oriundas de

fontes limpas e renováveis, inclusive armazenamento de energia egeraçãodistribuída;

• Reduziraemissãodecarbononageraçãodeeletricidade;• Darsuporteaoprocessodetransiçãoparaveículoselétricos“plug-in”;• Criarnovosprodutos,serviçosemercados.

2.4–DESAFIOSDAINTEGRAÇÃODASREDESDETRANSMISSÃODEDADOS

OsSmartGridenvolvemumvastonúmerodesensores(presentesnageração,transmissãoedistribuiçãodeenergiaelétrica),medidoresinteligentes,sistemasSCADA e dispositivos in-home, os quais irão interagir através da rede detransmissão de dados implantada, fornecendo aos usuários do Smart Grid umconjuntodeaplicaçõesvariandodesdeautomaçãoecontrole,atéaplicaçõesdeverificação online do custo da energia elétrica (Smart Home) ou utilização dainfraestrutura para acesso a serviços disponibilizados pela concessionária pormeio de um backbone de dados, da própria infraestrutura de distribuição deenergia ou implantando soluções alternativas como redes wireless ou wired,dando suporte à segurança da informação dos dados trafegados nessainfraestrutura[McDaniel&McLaughlin,2009].

Evidencia-se,então,queosistemadetransmissãodedadosempregadoéumelemento crucial no desenvolvimento dos serviços para Smart Grid e que aimplantaçãodeumsistemaineficientepodeacarretaremsituaçõesdesastrosas.Emparalelo,hátambémanecessidadedeintegraçãodesseselementosparaque

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hajaumcompartilhamentodeinformaçõesdeformatransparentesemqualquerinterferênciaouinabilidadetécnicaparaestabelecimentodestafuncionalidade.

OsdesafiosenvolvidosnaimplementaçãodasredesdetransmissãodedadosparaSmartGridcompreendem[SautereLobashov,2011]:

• Alta confiabilidade e disponibilidade: os nós devem ser acessíveis emtodasascircunstâncias;

• Gerenciamento automático de redundâncias: a rede de transmissão dedadosdevesercapazdesereconfiguraresereadaptarautomaticamenteutilizandoas redundânciasparamanteroserviçodisponívelmesmoemsituaçõesadversas;

• Alta capilaridade: os nós estão distribuídos por uma ampla áreageográfica;

• Escalável: assumindo-se que há um medidor de energia por clienteconectado à rede de dados, uma estação primária pode fornecer atédezenas de milhares de nós, particularmente em áreas de grandeconcentraçãodeprédios.Apesardospacotesdedadosseremgeralmentepequenos, o volume total dos dados a serem transferidos na rede ésubstancial,oquepodesetornarumproblema;

• Atrasosetempoderespostaadequados:osalgoritmosemecanismosdeQoSdevemtrataradequadamenteasdiversasclassesdedadosoriundasdediferentesclassesdeaplicação;

• Segurança:osdadostransmitidosdentrodoSmartGridsãoconsideradoscríticos,emparticular,quandosãodadosdecontroledosistemaelétrico;

• Fácilimplantaçãoemanutenção:devempreverfacilidadesnãoapenasnainstalação inicial, mas principalmente namanutenção da infraestruturaduranteaoperação.Característicascomoanálisedeerrosedelocalizaçãodos mesmos, fácil atualização de firmware e software, e configuraçãoremotasãoessenciais.

2.5 – MODELOS DE REFERÊNCIA PARA IMPLEMENTAÇÃO DAS REDES DE

TRANSMISSÃODEDADOSDOSSMARTGRID

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NoatualestudoeplanejamentodossistemasdetelecomunicaçõesdosSmartGrid,umadasprincipaisdificuldadesconsisteemaindanãoseterconhecimentoexatodecomoseráaarquiteturadestessistemas[Sooriyabandara&Ekanayake,2010][Budkaetal.,2010],existeaindaanecessidadedeforncecermecanismosdeinteroperabilidadeparaproveraintegraçãodediversossistemascomplexos,emtodososseusníveis,pormeiodeconexõeswiredouwireless[NIST,2014].

A fim de disponibilizar uma método útil de identificar os atores e osdomínios,ospossíveiscanaisdecomunicação,ainteraçãointra-domínioeinter-domínio,alémdaspotenciaisaplicaçõesdoSmartGrid,oNISTdesenvolveuummodeloconceitualdereferênciaparaosSmartGrid.Nestemodelodereferência,divide-seosSmartGridemsetedomínios,osquaissãoapresentadosnaTabela2.1.

Tabela2.1–DomínioseatoresnomodeloconceitualdosSmartGrid[NIST,2014].Domínios Atoresnodomínio

Consumidores Os usuários finais que utilizam a eletricidade. Alémdesimplesmente consumir energia elétrica, tambémpodem gerar, armazenar e gerenciar o uso da energia.Tradicionalmente, há três tipos de consumidores:residencial,comercialeindustrial.

Mercado Osoperadoreseparticipantesdomercadoelétrico.ProvedoresdeServiço As organizações que proveem serviços aos

consumidoreseasempresasdosetorelétrico.Operação Osgerentesdosistemaelétrico.Geração em largaescala

Os geradores de eletricidade em larga escala. Tambémpodem armazenar energia para distribuirposteriormente.

Transmissão Os sistemas de transmissão de longa distância deeletricidadeemlargaescala.Tambémpodemarmazenaregerarenergiaelétrica.

Distribuição Ossistemasdedistribuiçãodeenergiaelétrica,tambéminclui a distribuição da energia gerada pelosconsumidores. Também podem armazenar e gerarenergiaelétrica.

A interação entre os atores de diferentes domínios, através da rede detransmissãodedadosedaredeelétrica,éapresentadanaFigura2.1.Odiagramaconceitual de referência para a rede de informação dos Smart Grids éapresentadonaFigura2.2.

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Figura2.1–Interaçãoentreosatoresdediferentesdomínios.

Fonte:Adaptadade[NIST,2014].

ConformeomodeloconceitualdeSmartGrid,osprimeirosquatrodomínios(geração, transmissão, distribuição e consumidores) devem garantir umacomunicaçãobi-direcionalentreosconsumidores(residenciaisecomerciais)eaAMI, com a responsabilidade de prover um controle efetivo (por exemplo,compartilhamentodedados)paratodosossistemasdodomínio.Osúltimostrêsdomínios (mercado,operaçãoeprovedoresdeserviços) se referemaosistemade gerenciamento da rede, de distribuição contínua de energia e o deprovisionamentoefornecimentodeserviços.

Nocasoemparticulardoconsumidor,[Nelson&FitzPatrick,2011][Hoosain& Paul, 2017], referem-se ao gerenciamento de energia do lado da demanda,juntamentecomocontroleegerenciamentodeeletrodomésticosparaequilibrareotimizaroconsumodeenergiaresidencial.Trata-sedeumdosnoverequisitosparaaplicaçõesdeSmartGrid(gerenciamentopeloladodademandaeeficiênciaenergética),quandoempregadoparacenáriosdeSmartHome.

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Figura2.2–DiagramaconceitualdereferênciaparaarededetransmissãodedadosdoSmartGrid.

Fonte:Adaptadode[NIST,2014].

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Os elementos que compõem o diagrama da Figura 2.2 são descritos como[NIST,2014]:

• Domínio:cadaumdossetedomíniosapresentados,emumadescriçãodealto nível, é um grupo de organizações, empresas, indivíduos, sistemas,dispositivos ou outros atores, que possuem objetivos semelhantes eproveem e/ou participam de tipos de aplicações semelhantes. Osdomíniospodemcontersubdomínios.Alémdisto,algunsdomíniospodemterasobreposiçãodefuncionalidades,comoéocasodatransmissãoedadistribuição, os quais, em muitos casos, compartilham a mesmainfraestruturaderededeenergiaelétrica;

• Ator: pode ser um dispositivo, sistema, programa, organização ouindivíduososquaisparticipamdoSmartGridepossuemacapacidadedetomar as decisões e de trocar informações entre si. As organizaçõespodemteratoresatuandoemmaisdeumdomínio;

• Ator gateway: ator em um determinado domínio que se comunica comatoresemoutrosdomíniosouemoutrasredes.Osatoresgatewaypodemutilizar uma variedade de protocolos de comunicação, desta forma, épossívelqueumatorgatewayutilizeumprotocolodiferentedeoutroatornomesmodomínio,ouqueutilizemúltiplosprotocolossimultaneamente;

• Rede de Informação: é uma coleção, ou associação, de computadoresinterconectados,dispositivosdecomunicaçãoedeoutras tecnologiasdeinformação e comunicação. Os Smart Grid consistem de uma amplavariedadederedes,sendoquenemtodassãomostradasnodiagrama;

• Links de informação: demonstram a troca de dados entre os atores ouentreatoreseredes.

2.6–MODELOSDEINTEROPERABILIDADE

Emgeral,a interoperabilidadeéacapacidadededuasoumaisredes,sistemas,dispositivos, aplicativos ou componentes trocarem informações, de maneirasegura e confiável, em diferentes infraestruturas. Eles podem até estarlocalizados em diferentes regiões geográficas e culturais, ou seja, representamumaltograudeheterogeneidadenoambiente[IEEE2030,2011].

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2.6.1-INTEROPERABILIDADEPARASMARTGRID

No que tange ao domínio de interoperabilidade para Smart Grid, o objetivo éfornecer às organizações, a capacidade de realizar a comunicação entre osdiversosdipositivos instaldos,de formaeficaz,e transferirdadossignificativos,mesmo que estejam utilisando diferentes sistemas de informação, sobreinfraestruturas distintas, podendo estar localizadas em regiões diferentesgeográficae culturalmente,ou seja,umaltograudeheterogeneidade [Leccese,2012].

Alémdisso,existemdiversosdesafiosaseremsuperadosparaqueaintegraçãoentre os dispositivos envolvidos seja alcançada, devendo, necessariamente,atenderàsseguintescaracterísticas[GridWise,2012]:

• Significadocompartilhadodeconteúdo,

• Identificaçãoindiscutível(pessoas,lugares,coisas),

• Tempoesequenciamento,

• Configuração(setup),

• Segurançaeprivacidade,

• Desempenho,confiabilidade,escalabilidade,

• Evolução do sistema (implantação de revisão em um ambienteheterogêneo),e

• Preservaçãodosistema.

Características como estas, relacionadas à padronização de interoperabilidadeparaSmartGrid, estãopresentes,porexemplo,nodocumentodepadronizaçãodo Governo Americano, “NIST Framework and Roadmap for Smart GridInteroperability Standards, Release 3.0”, no qual é especificado ummodelo quepropõeumaaproximaçãodosconsumidoresfinaisaoprocessodenegóciosdossistemasdegeração, transmissãoedistribuiçãodeenergiaelétrica [Villa et al.,2011] [Shudong et al., 2010], propondo, ainda, a criação de um fórumdenominadoPaineldeInteroperabilidadeparaSmartGrid,afimdepromovero

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desenvolvimentoeevoluçãodospadrõesdeinteroperabilidadeparaSmartGrid,possuindotrêsfunçõesprimárias[NIST,2014]:

• Supervisionar as atividadesdestinadas a acelerarodesenvolvimentodeespecificações de interoperabilidade e segurança cibernética para ospadrõesdedefiniçãodasorganizações;

• FornecerorientaçãotécnicaparafacilitarodesenvolvimentodepadrõesdesegurançaparainteroperabilidadeemSmartGrid;

• Especificar requisitos de teste e certificação necessários para avaliar ainteroperabilidadedosequipamentosrelacionadosdeSmartGrid.

OutropadrãodefinidoparaSmartGrid foioAdvancedMetering Infraestructure(AMI),queconsisteemumacomunicaçõesdehardwareesoftwareedesistemade gerenciamento de dados, que, juntos, criam uma rede de mão dupla entremedidoresavançadosesistemasdenegóciosdeserviçospúblicos,permitindoacoletaeadistribuiçãode informaçõesaosclienteseoutraspartes interessadas[GridWise,2012][Vehbietal.,2011],incluindométodosavançadosdemedição,comunicação e controle, auxiliando na interação entre os consumidores e osistemadeenergia [Huibinet al., 2011].Estepadrão tambéméutilizadocomouma das 8 áreas prioritárias que compõem o NIST (2014), recomendado pelaComissãoFederaçãodeRegulamentaçãodeEnergiadoGovernoAmericano.

OutrapadronizaçãofoidefinidapeloIEEEStd2030[IEEE2030,2011],combaseemalgunspadrões existente como, por exemplo, oAMI, onde é estabelecidooSmartGrid InteroperabilityReferenceModel (SGIRM), que forneceumabasedeconhecimentoabordandoaterminologia,características,desempenhofuncionalecritériosdeavaliação,bemcomoaaplicaçãodeprincípiosdeengenhariaparaainteroperabilidade de Smart Grid no sistema de energia elétrica, com uso deaplicações,sendoestaumaabordagemdesistemaspara interoperabilidadeemSmart Grid, elaborada como ferramenta para projeto que permiteextensibilidade,escalabilidadeecapacidadedeatualização.

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A norma IEC61850 é outra padronização de mercado, tendo como principalobjetivogarantirainteroperabilidadeentredispositivoseletrônicosinteligentes(IEDs) de diversos fabricantes visando à troca de informações entre eles[IEC61850, 2005]. Concebido em meados dos anos 1990, o projeto UtilitiesCommunicationsArchitecture(UCA),doEPRI(ElectricPowerResearchInstitute),reuniu três grupos de trabalho, que formavam o Comitê Técnico TC57 da IEC(International Eletrotechnical Comission), e que trabalhavam individualmente,para elaborar umpadrãode comunicação entre Sistemas emSubestações, quefosse internacionalmente aceito. A este padrão se denominou IEC 61850CommunicationNetworksandSystemsinSubstation[IEC61850,2005].

Desdeentão,diversos trabalhoscomo [Kanabar&Sidhu,2011], [Higginsetal.,2011] e [Dolezilek, 2010], comprovaram a eficácia do padrão, no que tange àinteroperabilidade e ao desempenho na troca de informações em sistemascomplexos,constituidospor inúmeros IEDsnovoseporequipamentos legados,de fabricantes diferentes, possibilitando o desenvolvimento e aceitação dopadrãopelomercado.Esta adoçãopermitiu avançosnoescopodopadrão, taiscomo IEC61850-90-1 (que trabalha comunicação entre Subestações) e a IEC61850-90-2(quediscuteacomunicaçãoentreSubestaçãoeCentrodeOperação),levandoopadrãoa ser repensadopara “Communicationsnetworksand systemsforpowerutilityautomation”[Wardetal.,2008][Schossig,2010].Atualmente,oroadmap IEC, em seu apêndice 6, identifica o padrão IEC 61850 comoumdossete padrões fundamentais para a implantação do Smart Grid do futuro [IEC,2012].

O Smart Grid Interoperability Platform (SGIP) é outro padrão deinteroperabilidade construído combase emummodelo semântico comumquepermite que as aplicações “falem” o mesmo idioma e, portanto, garanta ainteroperabilidade baseada emdados. Alémda interoperabilidade baseada emdados, a interoperabilidadebaseadaemcomunicaçãoé suportadapormeiodomiddlewaredecomunicaçãoqueoferecesuporteàcomunicaçãocliente-servidore publish-subscribe. Em última análise, todos eles permitem a comunicaçãocentradaemdadosemSmartGrid[Kimetal.,2017].

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Nomercado,aindaexistemdiversaspadronizaçõesqueestabelecemdiferentesníveis ou modelos de interoperabilidade, conforme a especificidade de suainfraestrutura, cada uma com regras próprias, ou seja, na possibilidade deintegração de duas redes de domínios (arquiteturas) diferentes, essacomunicação poderá não ser efetivada por divergências de regras em algumnível.

2.6.2–INTEROPERABILIDADEPARASMARTHOME

Quandosepretendealcançaraintegraçãoentresistemasheterogêneos,opta-sepela utilização de normas para se desenvolver soluções interoperáveis ou odesenvolvimento de aplicativos (softwares com bibliotecas e interfacescomunicaçãoemredes),paraalcançarestaintegraçãodesejável.

Paraodomíniode interoperabilidadeemSmartHome,oobjetivoé forneceràsorganizações, a capacidade de realizar a comunicação entre os diversosdispositivosinstalados,deformaeficaz,etransferirdadossignificativos,mesmoqueestejamutilizandodiferentessistemasdeinformação,sobreinfraestruturasdistintas, podendo estar localizadas em regiões diferentes geográfica eculturalmente,ouseja,representandoumaltograudeheterogeneidade.

OmercadohojedefinealgunspadrõesdeinteroperabilidadeparaodomíniodeSmartGrid, sendoqueSmartHomeestápresentecomoumelementodeborda.Além dos documentos de padronização citados anteriormente que tambémtratamdaSmartHome, destacam-seos seguintesdocumentosdepadronizaçãoespecíficos para o domínio de Smart Home o ISO/IEC 18012-2:2012(E) queespecifica modelos de interoperabilidade de aplicações para prover ainteroperabilidadedeprodutosparaSmartHome;outraspadronizaçõestambémsãoespecificadascomoIEC61850,IEC15045-1,IEC15045-2,entreoutros.

Além dos documentos de padronizações estabelecidos para prover ainteroperabilidade nos mais diversos domínios do Smart Grid, existem outrasformasparasealcançaraintegraçãoentresistemasheterogêneos,empregandosoluções de interoperabilidade como middleware, sendo uma camada desoftwarequeprovêumaabstraçãodeprogramação,assimcomoomascaramento

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daheterogeneidadederedesdecomputadores,hardware,sistemasoperacionaiselinguagensdeprogramação[Zhou&Rodrigues,2013].

Considerando a complexidade do cenário de Smart Home, existe umanecessidade de integração e colaboração entre elementos heterogêneos comoredesdecomunicaçãoindooreoutdoor,sistemasdegerenciamentoecontrole,eoutros utensílios (como ar condicionado, TV emáquina de lavar) pormeio desensoreseatuadores.Omiddleware temopapel fundamentalde fornecerumaabstração para permitir a efetivação desta comunicação entre todos oscomponentes envolvidos, de forma eficiente e transparente, mascarando acomplexidadedaintegraçãoemsistemasheterogêneos.

Das alternativas computacionais disponíveis para o desenvolvimento domiddlewarepropostonestatese,foiescolhidoummodelolargamenteutilizadoecompatível com a definição proposta em SmartCom, sendo baseado emMiddlewareOrientadoàMensagem(MOM),conhecidocomoWebServices,maisespecificamente soluções baseadas em REST, que permitem umainteroperabilidademaisefetivaeescalávelentreoscomponentesdaSmartHome[Kamilaris&Pitsillides,2013].

As soluções baseadas em Web Services (WS) são comumente utilizadas naintegraçãodesistemasenacomunicaçãoentreaplicaçõesheterogêneas, sendocaracterizadas como um serviço distribuído e, a partir desta tecnologia, épossível que novas aplicações possam interagir com plataformas emfuncionamento, abstraindo uma camada de interoperabilidade. Estes serviçospodem ser desenvolvidos usando uma ampla gama de tecnologias, incluindoSOAP,REST,RPC,DCOMeCORBA,ondecadaumadessasabordagensforneceseuprópriomodelo para a concepção e implementação de aplicações orientadas aserviços[Al-Jaroodi&Mohamed,2012].

Apesar de existiremdiversas soluções, osWSmais referenciados na literaturaespecializadasão[Al-Jaroodi&Mohamed,2012][Belqasmietal.,2011][Vargaetal.,2011]:baseadosnoprotocoloSOAP–SingleObjectAccessProtocoleemestiloREST-RepresentationalStateTransfer -ouRESTfulWebServices.RESTeSOAPsãobastantediferentes,poisSOAPéumprotocolodemensagensenquantoque

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RESTéumestilodearquiteturaderedeparaserviçoshipermídiadistribuídos,isto é, sistemas hipermídia que permitem o armazenamento e recuperação deinformaçõesque incluemmeiosde comunicaçãodiferentes como: texto, áudio,vídeoe(hyper)links.

Embora ambas as soluções sejam bastante utilizadas, as baseadas em SOAPperderamespaçoparaasbaseadasemREST,devidoaofatodosserviçosRESTfulserem facilmente implementados usando padrões bem conhecidos, tais comoHTTP e XML. Além disso, garante alta escalabilidade, uma vez que reduz acomplexidadedoservidorenãoprecisamanterinformaçõesdeestadodocliente[Guillyetal.,2013].

OutrofatorquecorroboraparaautilizaçãodesoluçõesdeWSemambientesdeSmartHomeéasuanatural integraçãocomsoluçõesbaseadasemInternetdascoisas(IoT),comoserviçosdecomputaçãoemnuvem.

A IoT refere-se à rede de objetos, dispositivos, máquinas, veículos, edifícios eoutros sistemas físicos comcapacidades integradasdedetecção, computação ecomunicação,queentendemecompartilhaminformaçõesemtemporealsobreomundofísico[Marcetal.,2016].

FazendousodassoluçõesIoTparacontroledoméstico,incluindotecnologiasdeinformação e comunicação (especialmente aquelas que asseguram altaescalabilidadeedisponibilidadedeserviços),podehavercompartilhamentodeinformaçõeseapossibilidadedegerenciamentoremotodeaparelhosemtemporeal, que irá fornecer acesso aos usuários a qualquer momento em qualquerlugar,atodososdispositivosconectadosnacasa.

AIoTécapazdeconectarelementosdomundoreale incorporara inteligenciano sistema de comunicação para processar suas informações detalhadas etomada de decisão autônoma, é dividido em camadas que representam aarquitetura de operação e gerenciamento [Kraijak & Tuwanut, 2015]. Essascamadas podem ser representadas como sensores, atuadores e coletores(camada inferior), seguidos pela camada de rede, que desempenha um papelimportante na transferência e segurança das informações passadas para acamada superior. A camada demiddleware se destina a fornecer serviços de

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gerenciamento e armazenamento de dados para as camadas mais baixas. Ascamadas superiores estão ligadas a aplicativos e regras de negócios, que sãoresponsáveispelacriaçãodeestratégiasinteligentes.

A IoTgeralmenteéalinhadacombaixapotência, sensoresdebaixamemóriaerestrições de bateria e rede, o que significa que há necessidade deprocessamentodedados,armazenamento,acessoeanáliselimitados[Zaslavskyet al., 2013]. Essas limitações podem ser atenuadas pelo uso de outrastecnologias,comooserviçodanuvemqueforneceráprocessamentoememóriasobdemanda,bemcomodiferentestiposdesoftwarequepodeminteragircomoutrasaplicações.Alémdisso,quandoaIoTécombinadacomanuvem,existemgrandes quantidades de dados que podem ser coletados de vários locais eprocessadoseanalisadosparacriarinformaçõesúteisparaosusuáriosfinais.

Um serviço de computação em nuvem é uma das tecnologias amplamenteutilizadas na IoT, que, além de fornecer recursos compartilhados,armazenamento, software e informações, permite acesso externo a partir dequalquer dispositivo conectado à Internet [Nepal et al., 2011] [Januzaj et al.,2015].

AarquiteturapropostanestatesededoutoradoobjetivautilizarsoluçãobaseadaemIoT(serviçosdecomputaçãoemnuvem),comafinalidadedeproveracessoatodososdispositivos conectados à residência pormeioda Internetouda redeprivada da concessionária de energia (via AMI) de forma a melhorar assim ogerenciamento e monitoramento externo de serviços, como gerenciamento deenergia,segurançaeconforto.

2.7–CONSIDERAÇÕESFINAIS

Pelo estudo apresentado neste capítulo, observa-se que há uma série dedesafiosaseremsuperadosparaimplantaçãodosSmartGrids,quevãodesdeodesenvolvimentoeimplementaçãodosnovosdispositivoselétricos,necessáriosparaa integraçãodosdiferentes sistemasdegeraçãoe transmissãodeenergiaelétrica, passando pelo desenvolvimento e implementação de sistemas detransmissão de dados que proporcionem uma adequada troca de informação

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entre os dispositivos no Smart Grid, até a padronização das camadas deinteroperabilidade para estabelecimento da troca de informações ecompartilhamentoderecursos.

Diante da necessidade de desenvolvimento e implementação de novossistemas, dispositivos e serviços, várias entidades, entre os quais se destaca oNIST (2014), há uma urgente necessidade de estabelecimento de protocolos epadrõesparaosSmartGrids.

Contudo, mesmo sem estes protocolos e padrões estarem totalmenteespecificadoseimplementadosecomumasériededesafiostecnológicosaseremsuperados,osSmartGrids jáestãoemdesenvolvimentoe tematraídodiversosinvestimentos dos setores público e privado, incluindo a criação de comissõesparaestudoeestabelecimentodepadrõesaseremadotados.

Notadamente,paraodomíniodeSmartHome,estaintegraçãoaindaédealtacomplexidadedevidoagrandecarênciadeumarededecomunicaçãodedadosprivadaapartirdaconcessionáriadedistribuiçãodeenergia,parafornecimentodeserviçosparaoconsumidorfinal.Nointuitodetentardiminuirestehiato,estatesepropõemumaarquiteturaparaproverinteroperabilidadeemSmartHome,apartir da especificação de uma solução de monitoramento e gerenciamentoresidencialinteligente,comcomunicaçãoparaarededaconcessionáriaeparaaInternet.

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CAPÍTULO3–LÓGICAFUZZYAPLICADAÀSMARTCOM


Estecapıtulodescreveprimeiramenteumpanoramageraldosparadigmasdeinteligênciaartificial(IA)e,posteriormente,erealizadaumabreveintroduçaodatecnicaempregadanestatese,aLógicaFuzzy.Inclui-setambemamodalegemdosistemaFuzzy,dentrodasespecificaçõesdaarquiteturaSmartCom,paraauxiliarnatomadadedecisãodousuárioresidencial,apartirdeumaanálisecriteriosarelacionada à utilização “usuário vs. equipamento”, com o intuito de reduzir oconsumoenergético.

3.2–INTELIGÊNCIACOMPUTACIONAL

A busca por sistemas artificiais que apresentam algum tipo decomportamento inteligente, similar ao exibido por muitos sistemas biologicos(incluindo seres humanos) sempre fascinou muitos cientistas. Os sistemasbiologicossaoresultadodeumlongoprocessodeevoluçaonaturaleapresentamcaracterısticas como adaptabilidade, tolerancia a falhas e robustez a variaçoesambientais. Tais caracterısticas sao bastante desejaveis em uma grandevariedade de problemas das mais diversas areas de conhecimento, levandodiversos pesquisadores a propor estrategias que procuram emular alguns dosaspectos observados em sistemas biologicos naturais. Neste contexto e com ointuitodedesvendarosmisteriosrelacionados a inteligencia, surgiunadecadade50ainteligenciaartificial-IA[Russel&Norvig,2013].

A IA compreende paradigmas computacionais que procuram desenvolversistemas que apresentam alguma forma de inteligencia similar a exibida pordeterminados sistemas biologicos. Alguns dos paradigmas que compoem a IAforam de fato inspirados em sistemas biologicos (como as redes neuraisartificiaiseosalgoritmosgeneticos),enquantoqueoutros,apesardenaotereminspiraçao biologica, tentam gerar sistemas que produzam algum tipo decomportamento proximo ao observado em sistemas naturais (como porexemplo, o raciocınio aproximado dos sistemas Fuzzy). A forma como o

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conhecimento serviu de inspiraçao para a modelagem computacional dainteligencia deu origem aos paradigmas que compoem a IA, onde podem-sedestacarcomoosprincipais[Rêgo,2016]:

Paradigma Simbolico: consiste de um conjunto de sımbolos que formamestruturaseumconjuntoderegraseprocessos.Quandooconjuntoderegraseprocessoseaplicadonoconjuntodesımbolososistemaproduznovasestruturas.Os sımbolos tem significados semanticos e podem representar conceitos ouobjetos.Paralidarcomestesconceitosusa-sealogicaproposicionalealogicadepredicadosoquepermiteasoluçaodeproblemausandoumsistemabaseadoemregras.Assimumsistemasimbolicoecapazderesolverproblemasqueenvolvemdadoseasregrassobreestesdados.

Paradigma Conexionista: tem como premissa a suposiçao de que ocomportamentointeligenteestarelacionadocomadinamicadasconexoesentrepequenosnosdenominadosneuronios,ondetaldinamicaecapazderepresentaro conhecimento. Diferentemente do paradigma simbolico, no modeloconexionistaoestadodosneuroniosrepresentamumconceitoouumobjetoeadinamica que leva a representaçao do conceito ou objeto e que estabelece asregras sobre taisobjetose conceitos.Naprática,osdoisparadigmaspodemsejuntar para formar um terceiro paradigma, umamistura do sistema simbolicocomumsistemaconexionista.

ParadigmaEvolutivo: esteparadigma, diferentementedo convencional, naoexige, para resolver um problema, o conhecimento previo de umamaneira deencontrar uma soluçao. Este paradigma e baseado emmecanismos evolutivosencontrados na natureza, tais como a auto-organizaçao e o comportamentoadaptativo.EstesmecanismosforamdescobertoseformalizadosporDarwinemsuateoriadaevoluçaonatural,segundoaqual,avidanaterra eoresultadodeumprocessodeseleçao,pelomeioambiente,dosmaisaptoseadaptados,eporistomesmocommaischancesdereproduzir-se.Adiversidadedavida,associadaaofatodequetodososseresvivoscompartilhamumabagagemgeneticacomum,pelomenosemtermosdeseuscomponentesbasicos,eumexemploeloquuentedaspossibilidadesdomecanismodeevoluçaonatural.

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Paradigma Nebuloso: A teoria dos conjuntos nebulosos e o modelo maistradicionalparao tratamentoda informaçao imprecisa e vaga.Esteparadigmatemporobjetivopermitirgraduaçoesnapertinenciadeumelementoaumadadaclasse,ouseja,depossibilitaraumelementodepertencercommaioroumenorintensidadeaquelaclasse.Basicamente,issosefazquandoograudepertinenciade um elemento ao conjunto, que na teoria dos conjuntos “classica” assumeapenas os valores 0 ou 1, passa a ser dado por um valor no intervalo dosnumerosreais[0,1].

Nestatese,nãosepretendediscutirnememamplitudenememprofundidadeos paradigmas de IA. Para aprofundamento no assunto, sugere-se consultar[Russel&Norvig, 2013], [Faceli et al., 2011]. Para fins do contexto desta tese,serádiscutidacommaioresdetalhesalógicaFuzzy.

3.3–LÓGICAFUZZY

Emgeral,asaplicaçõesdemétodosinteligentesdemonitoramentoetomadade decisão na área residencial apresentam um excelente desempenho emcondições ambientais de rápidas mudanças e incertezas. Os métodos maisutilizadosemsistemasinteligentessão:AlgoritmosFuzzy,AlgoritmosGenéticoseRedesNeurais[Wuetal.,2017].

O Controlador Lógico Fuzzy (CLF), que utiliza inferência da lógica Fuzzy,podedetectarmudançasrepentinasemvariáveisheurísticas,tornando-semuitoeficienteparaaplicaçõesdealertaetomadadedecisão.Tambémchamadalógicanebulosa ou difusa, é uma teoria que incorpora a experiência, a intuição, oconhecimento especializado e a natureza imprecisa do processo de decisãohumana pormeio de um conjunto de regras simples ou heurísticas [Liu et al.,2017].

O sistema de controle fuzzy é rápido, responsivo, robusto e capaz deacompanharvariações contínuasnasentradasdo sistema.Opré-conhecimentodosistemanãoénecessárioeamatemáticaenvolvidaérelativamentesimples.Os controladores de lógica Fuzzy são adequados para sistemas residenciais,

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levando em conta que eles são caracterizados por alta não-linearidade,flutuaçõesnaentradaevariaçãodoambienteanalisado[Lettingetal.,2011].

A lógica Fuzzy que foi introduzida primeiramente por Zadeh em 1965,caracterizando-se por ser uma teoria que se utiliza de equações matemáticasparaexplicaroraciocíniohumano.AsfórmulasdecomputaçãoemlógicaFuzzy,viaderegra,nãosãocomplexas.

A lógica Fuzzy interpreta a informação qualitativa para as relaçõesmatemáticas. Isso faz com que seja adequada para explicar o comportamentoimprevisíveldosistemaquepodenãoserfacilmentemodelado.Asvariáveissãoexpressas por funções ou curvas de pertinência, entre dois dígitos,principalmente0e1ouquaisqueroutrosdígitos.Umasériedepesosdescreveograudedependênciadeumavariável a umdeterminadovalordentroda faixaatribuída.

Para definir um conjunto Fuzzy, tanto os membros do conjunto (valores),quantoograudedependência(pesosdecadavalor)sãonecessários.

Operações de lógica Fuzzy ou conceitos Fuzzy são usados para relacionarconjuntosfuzzy[Lilly,2010], [Lee,1990].Asprincipaisoperaçõesdeconjuntossãodefinidasnasfórmulas1,2e3:

!"#ã%'('%#)*%"+,"-%): /01:2(/(4) + 1(4)) = 894(2/(:),21(:))(1)

<"-(=*(çã%'(? ∩ A:8BC(2/(4),21(4))(2)

D(EFçã%:2(/(4) = (1 −2/(4)))(3)

Pornecessitardeumbaixopoderdeprocessamentoedepoucamemória,alógicaFuzzyéométodointeligenteutilizadonaarquiteturaSmartCom.

3.3.1-FUNÇÃODEPERTINÊNCIAEREGRASFUZZY

As variáveis de entrada e saída Fuzzy são representadas por Funções dePertinência(FPouMF,do inglêsMembershipFuctions).As funçõesrelacionamcada entrada e saída com uma variável ponderada, dependendo da forma da

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curva [Zadeh, 1965]. As FPs são geralmente escolhidas pelo projetista docontrolador[Lilly,2010].Asfunçõesdeassociaçãomaispopularessão:

a. Triangularb. Trapezoidalc. Gaussianad. Belle. Funçãodepertinênciaemfomatode“J”f. Funçãodepertinênciaemformato“S”

As funçõesdepertinênciamaisutilizadas são asquatroprimeirasdevido àsuasimplicidadeecapacidadedeexpressaramaioriadasvariáveis.AsFiguras3.1e3.2aseguirmostramduasfunçõesbásicasFuzzy[Virant,2000][Alietal.,2015].

Figura3.1-FunçãodePertinênciaTrapezoidal.

Fonte:Adaptadode[Virant,2000][Alietal.,2015].

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Figura3.2-FunçãodePertinênciaTriangular.

Fonte:Adaptadode[Virant,2000][Alietal.,2015].

3.3.2-REGRASFUZZY

As regras Fuzzy basicamente estão compreendidas em dois “estilos”,conformeaseguir[Lilly,2010]:

EstiloMamdani:OtipoMamdanisecaracterizapeloconjuntodefunçõesdepertinênciaFuzzymaisutilizado.Foi introduzidoporE.H.Mamdani [Mamdani,1974][Mamdani,1977].Utilizam-semétodossimplesnaconcepçãodafunçãodeassociação e regras difusas, e é especialmente compatível com sistemascaracterizados por entrar e saídas simples [Chaturvedi, 2010]. O métodoMamdani é baseado em grande parte em intuições e conhecimentos humanos,funcionandobemcomsistemasimprevisíveisedegrandesincertezas.

Estilo Sugeno: Sugeno Fuzzy foi proposto pela primeira vez por Takagi eSugeno em 1985 [Takagi & Sugeno, 1985]. Na lógica Fuzzy de Sugeno, assoluçõesúnicassãousadasparadarcertosvaloresàsaídadecontrole[Caoetal.,1997] [Tanaka & Wang, 2001]. O método é eficaz no controle de sistemascomplexosnão-lineares[Jotsov&Sgurev,2008].UmavantagemdestemétodoéareduçãodonúmeroderegrasemcomparaçãocomométodoMamdani,oqueotorna adequado para sistemas de alta ordem. Métodos para análise deestabilidade podem ser desenvolvidos usando algoritmos Sugeno [Sugeno,1999].

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3.3.3-ESTRUTURADOCONTROLADORFUZZY

O controle Fuzzy é baseadona incorporaçãode algoritmos de lógica Fuzzyemsistemasdecontrolecomocontroladoresdependentesoucomoutros tiposdecontroladores.UmcontroladorFuzzyécompostodosseguintesblocos:(a)abase de conhecimento, que consiste na base de regras difusa e as definiçõeslinguísticasparaasvariáveisdeentradaesaída;(b)omecanismodeinferência,queaplicaasregrasdifusasparacalcularaativaçãodecadavariável;(c)oblocode fuzzificação que converte a entrada crisp em uma variável Fuzzy [Sharma,2011]. O bloco defuzzification que converte a saída do controlador de lógicaFuzzy em uma variável crisp. Na Figura 3.3, os componentes presentes naestuturabásicadeumcontroladorFuzzy,sãorepresentadosemumdiagramadeblocos.

Figura3.3-EstruturabásicadeumsistemadecontroleFuzzy.

Fonte:Autor.

Métodos de defuzzification são usados para converter a variável Fuzzy emuma variável crisp para o resto do sistema de controle. O método Centroid,tambémchamadodeCentrodeÁrea(CAemportugês.NoinglêsCoA,CenterofArea), ouoCentrodeGravidadeéummétododedefuzificaçãomuitoeficientequepodeserusadocomamaioria funçõesdepertinênciadesaída.NométodoCA, o controlador calcula os centros geométricos da área sob as curvas deassociação/pertinência[Lee,1990].NaFigura3.4,umgráficoexplicativocomopontoCoAéapresentado.

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Figura3.4-DefuzzificaçãotipoCentrodeÁrea.

Fonte:Adaptadode[Sugeno,1999].

Outro método popular para a defuzzyficação é o método da médiaponderada; é simples de implementar,mas sópode ser usado com funçõesdepertinência simétricas. Outros métodos são o método Bisector, o Maior doMáximo,oMenordoMáximoeoMétododaMédiadoMáximo[Naazetal.,2011].


Este capítulo apresentou inicialmenteumapanhadogeral sobre as tecnicasde inteligencia computacional referenciadas na literatura especializada. Comesse objetivo foi apresentada uma visao geral da teoria de Lógica Fuzzy, suamodelagemeaplicabilidadedentrodeumcontextodereduçãodeconsumodeenergiaapartirdevairiáveisdeentradadepadrõesdeconsumo,aserutilizadanaarquiteturaSmartCoMpropostanessatese.

Noproximocapıtuloseraapresentadooestudodetrabalhoscorrelatosquerealizaumapanhadogeral,paraefeitodecomparaçaocomapropostadestatese,sobreostrabalhospublicadosnaliteraturaespecializada.

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CAPÍTULO4–TRABALHOSCORRELATOS


A integração em larga escala não é uma necessidade exclusiva do setorelétrico. Diversas pesquisas de interoperabilidade são realizadas em setorescomo sistema bancário, telelecomunicação e transporte. A partir dessasintegrações,torna-sepossívelrealizaraautomaçãodeprocessosesistemas.

Atualmenteexistemdiversaspropostasparaimplementaçãodemecanismosde interoperabilidadeentre sistemas,nos seusdiversosníveis. Neste capítulo,serãodestacadasaspropostasespecificasparaodomíniodeSmartGride,comoelemento de borda o Smart Home, todos estes relacionados a esta tese dedoutorado,comafinalidadedeexporumadiscussãoacercadoestadodaartedasáreasenvolvidasnestaproposta.

4.2–PANORAMABRASILEIRODESMARTGRID

NestecenáriodeestudosrelacionadosaodesenvolvimentodepadrõesparaSmartGrid,osagentesbrasileirosresponsáveispelosetorelétricoiniciaramsuaspesquisasparaestabeleceropadrãonoBrasil.Desde2009,diversasaçõesforaminiciadascomestafinalidade.

A Companhia Energética de Minas Gerais – Cemig, lançou em 2009 umprogramadenominadoCidadesdoFuturo[CEMIG,2009],quetinhaafinalidadedepermitiravaliaramelhoriadaprestaçãodeserviçosparaoconsumidorfinal,pormeio da automação das redes de distribuição emodernização do sistemaelétrico.OprojetoCidadesdoFuturo irá,apósconcluído,avaliaracapacidadeeos benefícios da adoção da arquitetura Smart Grid, a partir dos testes queacontecerão em Sete Lagoas (Belo Horizonte), o que permitirá identificar aviabilidade de expansão para toda a área de concessão da Cemig, bem comovalidar os produtos, serviços e soluções inovadoras, visando melhorar aprestaçãodeserviçosdaCompanhia.

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Seguindo esta iniciativa, empresas como a Light, Eletrobrás e Eletropaulo,criamumcenárioparaavaliaropçõesdeSmartMetering,comunicaçãoecontrolede infraestrutura, e para análise de possíveis benefícios de esquemas deautorecuperação da rede em caso de falhas, entre outras funcionalidadesrelevantes aos serviços de Smart Grid. Vale ressaltar que, as empresasbrasileiras de distribuição são obrigadas a investir um percentual fixo de suareceitalíquidaemprogramasdepesquisaedesenvolvimento(P&D),conformea lei federal Nº 9.991, de 24 de julho de 2000. Diante desta lei, as despesasobrigatórias tem sido a principal fonte de financiamento para Smart GridrelacionadoaprojetosdeP&D(resultandoeminvestimentosdebaixorisco),etambémtemsidoutilizado,emmenormedida,para financiarprogramaspilotodeSmartGrid[Linoetal.,2011].

OMinistériodeMinaseEnergia(MME)criou,pormeiodaPortaria440de15de abril de 2010, um grupo de trabalho para analisar e identificar açõesnecessárias para subsidiar o estabelecimento de políticas públicas para aimplantação do “Programa Brasileiro de Rede Elétrica Inteligente”. O GT écomposto por representantes do Ministério de Minas e Energia - MME, daEmpresa de Pesquisa Energética - EPE, do Centro de Pesquisas de EnergiaElétrica-CEPEL,daAgênciaNacionaldeEnergiaElétrica-ANEELedoOperadorNacional do Sistema Elétrico - ONS. O programa abordará, principalmente, osseguintesaspectos[MME,2010]:

• o estado da arte de programas do tipo Smart Grid, no Brasil e emoutrospaíses;

• propostadeadequaçãodasregulamentaçõesedasnormasgeraisdosserviçospúblicosdedistribuiçãodeenergiaelétrica;

• identificaçãodefontesderecursosparafinanciamentoeincentivosàproduçãodeequipamentosnoPaís;e

• regulamentaçãodenovaspossibilidadesdeatuaçãodeacessantesnomercado, o que inclui a possibilidade de usuários operarem tantocomo geradores de energia (geração distribuída) quantoconsumidores.

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Emmarçode2010,aAgênciaNacionaldeEnergiaElétrica(ANEEL),lançouachamadapúblicanº11/2010,denominadaProgramaBrasileirodeRedeElétricaInteligente,nointuitoderealizarestudosedesenvolvimentosquecoordenemeintegrem a geração de novos conhecimentos tecnológicos em subtemas degranderelevânciaparaosetorelétricobrasileiro,exigindoumesforçoconjuntoecoordenado de várias empresas de energia elétrica e entidades executoras,associados às recentes tecnologias de informação e comunicação (TIC)proporcionando importantes mudanças na forma de relacionamento entreregulador e concessionária de energia, e entre esta e seus consumidores,acompanhandoatendênciamundialdeimplantaçãodeSmartGrid,criandoumarede mais eficiente e segura, adaptativa, interativa, capaz de gerar novasoportunidadesdenegócios,operadacomfoconaqualidadeenaminimizaçãodeimpactosambientais.

AAssociaçãoBrasileiradaIndústriaElétricaeEletrônica(Abinee)criouemnovembrode2009,umgrupodetrabalhoparaestudarredesinteligentes(SmartGrid), consideradas a próxima geração de redes de medição e controle dedistribuição de energia elétrica. A Abinee também participa da comissão queestudaadefiniçãodeumprotocolodecomunicaçãoabertoparaserusadoportodososmodelosemarcasdemedidoresdeconsumoresidencialdoPaís,tendoa coordenação a cargo de um comitê da Associação Brasileira de NormasTécnicas(ABNT)[Linoetal.,2011].Apadronizaçãoirádefinirasaídadedadosdomedidordeconsumoelétricoparaoequipamentodecomunicação,deondeserápossívelfazera“telemedição”,ouseja,oprotocolovaipermitiraomedidor,a integração com equipamentos de rede como modem e rádio – acoplado ouexterno,dependendodatecnologia.Posteriormente,serãodefinidastecnologiasde comunicação que poderão ser adotadas para transmissão das informações[ABINEE,2010].

Emmaiode 2011, aCoordenaçãodeAperfeiçoamentodePessoaldeNívelSuperior (CAPES), Serviço Alemão de Intercâmbio Acadêmico (DAAD) e oDeutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ), criaram umaparceria, denominadaNoPaPROGRAMANOVASPARCERIAS CAPES/DAAD/GIZpormeiodoedital26/2011, paraapoiaro intercâmbiocientíficoentregrupos

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de pesquisas brasileiros e alemães e a formação de recursos humanos, eincentivar a inovação tecnológica no setor produtivo público. Na área deEnergiasRenováveiseEficiênciaEnergéticafoiapoiadooprojetonatecnologiaseprocessoscomacapacidadedeampliaraeficiênciaenergéticacomoSmartGrid[CAPES,2011].

OministériodaCiência,TecnologiaeInovação(MCTI)publicouemagostode2013 a ChamadaMCTI/CNPq/CT-ENERG (edital nº 33/2013) – Tecnologia emSmartGrids,comoobjetivodeapoiarprojetosdepesquisacientífica,tecnológicaedeinovaçãoemSmartGrids(RedesElétricasInteligentes–REI),estimulandoacooperação entre Instituições de Ensino Superior, Centros de Pesquisa,EmpresasdoSetorElétricoeEmpresasdoSetorProdutivodeformaacontribuirsignificativamenteparaodesenvolvimentocientíficoe tecnológicodoPaís,nosseguintestemasdeinteresse[MCTI,2013]:

• Desenvolvimento de equipamentos que integram as Redes ElétricasInteligentes (medidores, chaves, transformadores, disjuntores,sensores,etc);

• DesenvolvimentodeequipamentosdemanutençãoediagnósticoparaRedesElétricas

• Inteligentes;

• QualidadedeenergiaemRedesElétricasInteligentes;

• TarifaçãodeenergiaemRedesElétricasInteligentes;

• Redução de perdas comerciais e técnicas em Redes ElétricasInteligentes;

• SegurançadeinformaçãoemRedesElétricasInteligentes;

• EficiênciaesustentabilidadedeRedesElétricasInteligentes;e

• OperaçãodeRedesElétricasInteligentes.

Em janeiro de 2013, A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), oBanco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) e aFinanciadora de Estudos e Projetos (FINEP), a partir de um edital de seleçãopública,criaramumplanodenegóciodeEmpresasvisandooapoiofinanceiroaprojetos no âmbito do plano de apoio conjunto inovar energia, que tinha a

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finalidade de: (i) apoiar o desenvolvimento e a difusão de dispositivoseletrônicos, microeletrônicos, sistemas, soluções integradas e padrões paraimplementação de redes elétricas inteligentes (Smart Grids) no Brasil e; (ii)apoiar as empresas brasileiras no desenvolvimento e domínio tecnológico dascadeias produtivas das seguintes energias renováveis alternativas: solarfotovoltaica, termossolar e eólica para geração de energia elétrica [ANEEL,2013].

Emjaneirode2013,aAgênciaNacionaldeEnergiaElétrica(ANEEL),lançouachamada pública nº 0016/2013, denominada Projeto Estratégico: Sistema demonitoramentodequalidadedaenergiaelétrica,cujoobjetivofoidesenvolverosistema de monitoramento da qualidade da energia elétrica por meio demedições com confiabilidade e representatividade para a apuração dosindicadores de continuidade das redes de distribuição, buscando a sinergia deequipamentosedossistemasdecomunicação,assimcomoareduçãodecustoscomoutrasatividadesdemediçãojárealizadaspelasdistribuidoras.Osistemademonitoramentodeverá registrar as interrupçõesde energia elétrica e aferir osindicadores DEC e FEC das distribuidoras, com precisão adequada, de acordocomanálisedecusto/benefício[ANEEL3,2013].

EmOutubrode2013,AAgênciaNacionaldeEnergiaElétrica(ANEEL)propôsacriaçãodoSistemadeInteligênciaAnalíticadoSetorElétrico(SIASE),combaseno edital 18/2013. Um projeto que visa transparência das informações deinteresse público de mercado, tarifas e receita das concessionárias epermissionárias de distribuição de energia elétrica O principal objetivo desteprojeto é a criação de um sistema de informações, envolvendo os agentes dosetor,especialmenteasdistribuidorasdeenergiaelétrica,aANEELeinstituiçõespúblicasque[ANEEL2,2013]:

• Possibilite, para toda sociedade, a inteligibilidade da aplicação dastarifas;

• Crie uma base de dados consistente para a aplicação de técnicas deinteligênciaanalíticaedemineraçãodedados.

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• Osistemadeveadotaraspolíticaseospadrõesdeinteroperabilidadedegovernoeletrônicodefinidasnaarquiteturae-PING;

Emoutubrode2016,aAgênciaNacionaldeEnergiaElétrica(ANEEL),lançouachamadapúblicanº001/2016,designadoProgramadeeficiênciaenergéticaeminigeração em instituições federais de ensino superior com o propósito depromoverousoeficienteeracionaldeenergiaelétrica,pormeiodeprogramasqueevidencieemostrea importânciadeaçõesdecombateaodesperdícioedemelhoria da eficiência energética de equipamentos, processos e usos finais daenergia. O programa procura promover a cultura da inovação, estimulando apesquisa e desenvolvimento no Setor Elétrico brasileiro, desenvolvendo novosequipamentos e melhorando a prestação de serviços que contribuam para asegurança do fornecimento de energia elétrica, a modicidade tarifária, adiminuiçãodoimpactoambientaldosetoredadependênciatecnológicadopaís[ANEEL,2016].

Em novembro de 2016, o Ministério da Indústria, Comércio Exterior eServiços(MDIC)eoInnovateUKlançaramumeditalparaprojetosdepesquisaedesenvolvimento colaborativos entre empresas britânicas e brasileiras(Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Conjunto Brasil-Reino Unido),voltado para cidades conectadas, inovadoras e soluções de energia renovável.Este programa inclui três propostas de interesse: Integração e governança desistemas de uma cidade; Infraestrutura urbana, mobilidade inteligente eacessível; Ambientes urbanos sustentáveis. Dentro destas áreas de desafio, asSmartGridséumadastecnologiasqueestáinseridanoprograma[MDCI,2016].

Para uma melhor visualização das quantidades de propostas (ou editais)lançadas de 2009 até 2017, a Figura 4.1 a seguir ilustra o histograma com aquantificaçãodosnúmerosdepropostase/oueditaisporano.

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Figura4.1–HistogramadasquantidadesdepropostasemSmartGridaté2017.

Fonte:Autor.

4.3–ESTADODAARTE

NocenáriogeraldeSmartHome,váriosHEMSforampropostosparareduziros custos de consumo de energia. Essa redução é possível graças a uma novacaracterísticaexclusivaparamonitorarecontrolaroumesmoadotarsoluçõesdeinteligênciacomputacionalparaajudaraotimizaroconsumo.

Inúmeras investigações foram realizadas que envolvem a adoção de umaabordagem única para padronizar o sistema necessário para a mediçãointeligentederesidências.Algunssãodescritosem[Beaudin&Zareipour,2015]e[Ahmedetal.,2015],eoutrossãosemelhantesaosapresentadosnestatese.UmHEMS, que é capaz de gerenciar eletrodomésticos e iluminação (por exemplo,coletando dados de consumo), é descrito em [Han et al., 2014]. Existe umainterface com um dispositivo móvel que se comunica via Zigbee e comuta adistribuição de energia da empresa para painéis solares. Os modelos HEMSdescritos em [Lee et al., 2014], [Gabriele et al., 2015] e empregados paramonitorar e informar os usuários sobre as taxas de consumo residencial, pormeio de aplicativos móveis, sistema de armazenamento WEB e sensoresespalhadosportodasascasas.

Algumas das soluções baseadas em inteligência computacional no domínioSmart Home são mencionadas. A lógica Fuzzy foi empregada para ajustar atemperatura ambiente por meio de sensores térmicos e os padrões foram

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definidos com base em regras recomendadas pelos residentes para otimizarautomaticamenteatemperaturaeassimeconomizarenergia[Waleketal.,2014].

Damesmaforma,[Haghifametal.,2013]usalógicaFuzzyparadecidircomoagendarousodeeletrodomésticoscombaseemcustosestimadoseconforto.Em[Keshtkar et al., 2015], o Fuzzy é usado para reduzir a demanda de energiaresidencial com base em diferentes parâmetros, como ocupação, temperaturaexterna, conforto térmico,horários ajustadosepreferênciasnousodo sistemaelétrico.

A lógicaFuzzy tambéméusadaparauma consciência sensível ao contexto.Em [Patel & Champaneria, 2016], a inteligência Fuzzy mostra um grau deprecisãode95,14%eé6,98msmaisrápidodoqueoutrasarquiteturas.

O trabalho desenvolvido por [Souza, 2014], possui foco no controle deiluminação, o autor descreve o processo de desenvolvimento de um sistemaembarcadobaseadonalógicaFuzzyparacontroledoconsumodeeletricidadeeconsequente redução do desperdício de energia com objetivos de naturezasustentável. A lógica Fuzzy permite a classificação de valores dentro dedeterminadosconjuntos,considerandoseugraudepertinênciaataisconjuntos.Neste trabalho, a iluminação foi classificada em muito escuro, meio escuro,normal,meioclaroemuitoclaro.AleituradeiluminaçãoocorreatravésdeumsensorLDRconectadoaumArduinoque,porsuavez,atuaemumambientedeiluminaçãocontrolado,variandoaluminosidadeatravésdamodulaçãoPWM.

Outrassoluçõesdesse tiposãousadasparacontrolareotimizaroconsumodeenergia.UmmétodoadaptaaRedeBayesiana(BN)paracontrolaraparelhosde energia projetados para o conforto [Shoji et al., 2014]. Esta rede faz umarelaçãoprobabilísticaentreosestadosdoequipamentoeoambienteresidencial.

Outraspropostas,relevantesaesta tesededoutorado, foramdesenvolvidasparaasmaisdiversasáreasdeaplicaçãododomíniodeSmartHome:

Os autores [John & Santhosam, 2014], apresentam um modelo de SmartHome para gerenciar o consumo de energia em ambientes residenciais. Otrabalho tem como objetivo a redução do consumo de energia, para isso, os

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sensores de presença fazem as coletas de dados que serão usados para oaprendizadododispositivo.Outilizadorpodecontar tambémcomoauxiliodeum controle remoto, que atuará no desligamento dos equipamentos viainfravermelho.

Em [Gabrieleet al., 2015], édemonstradaumasoluçãodebaixo custoparagerenciamentodosequipamentosresidenciais.AsoluçãonomeadadeEDDYfoidesenvolvidaparagerenciaroscomponentesdomésticosespalhadosemumraiode até 30 metros (sem obstrução), a comunicação entre o EDDY e osequipamentos é através do módulo WI-FI integrado ao seu circuito, junto asensores(temperatura,umidade,correntee tensão).OEDDYfazascoletasdosdadoseemseguidasãoenviadosaumservidorWeb,eassimédisponibilizadoao usuário através de uma aplicação móvel que monitora e gerencia asatividadesnaresidência.Oaplicativoécompostoporumatelade logineoutraresponsávelpelogerenciamentodoconsumocomosseguintesdados:consumoatual do equipamento doméstico; status do equipamento; tempo decorrido(mostradoemgráfico);máximoconsumo;níveldoconsumodiário.

Outro estudo relevante é proposto por [Ferdoush & Xinrong, 2014], quedesenvolveramumsistemaSmartHomedebaixocustoealtamenteescalávelemnúmero de sensores, estruturado a partir de um Raspberry PI comodisponibilizadordeserviço(WebService),elesecomunicacomumArduinopormeiodeummóduloXBeeetransmitemas informaçõesobtidasdossensoresaoclienteporumainterfaceWeb.Seuobjetivoémonitoraroambienteeanalisarosdadospormeiodegráficos,referentesàtemperaturaeumidade.

O trabalhoapresentadopor [Tiwarietal.,2015],propõemummodeloparaautomaçãoresidencialbaseadoemcomunicaçãoporluzvisível(VLC).Oobjetivodesse trabalhoéacomunicaçãosemfioutilizandoaVLC.Comoapassagemdaluzéconfinadaporparedes,atransmissãosetornamaissegura.Essatecnologiatemumaalta taxade transferência comparadaasRFs, por issopode-se enviarumamaiorquantidadededados.Apropostaéestruturadaatravésdeemissoresereceptoresdeluzparaoenviodedados.SãousadosLEDsparaatransmissãoefotodetectores no recebimento desses dados. Os equipamentos devem ser

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instalados no teto para proporcionar ummelhor alcance aos dispositivos queserão conectados, além disso, para uma boa comunicação devem ser evitadosobstáculos, exemplos: sombras ou ate mesmo o translado do usuário noambiente. A rede de sensores só poderá se comunicar no mesmo ambientedevido à luz não atravessar paredes ou outros obstáculos sólidos, assim acomunicação com usuário local ou remoto só poderá ser feita por meio daunidadedecontrole.

Notrabalhode[Leitteetal.,2015],preocupou-seemdesenvolverumsistemade baixo custo e de fácil uso que proporcione conforto e comodidade aoshabitantes.Ousuáriopodecontrolarosequipamentos(lâmpada,trancaemotor)por meio de um aplicativo Android. Um Arduino associado à Shield Ethernetpermite a comunicação com um roteador através da internet, e a partir disso,ocorreàtrocadeinformaçõesviaWI-FIcomoclientemóvel,utilizandofluxodecomunicaçãobaseadoemsocket.OaplicativofazoenviodasrequisiçõesparaoArduino,ondeoscomandossãointerpretadoseconvertidosemações,comoporexemplo,ligaredesligarosequipamentos.Alémdasaçõesmencionadasapouco,oaplicativopodecontrolaralgunsequipamentosemtemporeal,comovariaraintensidadedobrilhodaslâmpadas.

O artigo de [Báez et al., 2010], descreve o desenvolvimento de um sistemacapazde controlar dispositivosde iluminação atravésdousodeumaplicativocelular. A rede é composta por um módulo mestre e dispositivos escravosconectados diretamente ou através de módulos roteadores. Executado empraticamentequalquertelefonemóvelaaplicaçãopermitequeusuáriodefinaosvalores desejados de iluminação e o programa, por sua vez, realiza umacomunicação com a central através de interface bluetooth, em seguida, ocomandoéencaminhadoaosdispositivosfinaisatravésdacomunicaçãozigbee,escolhida principalmente pelo seu baixo consumode energia.Nos dispositivosfinaisestãooscontroladoresdimmercompostosporumsistemadedetecçãodezeroeumTRIACalémdeummicrocontrolador80C51,aoreceberumcomandoomicrocontrolador interpreta o valor de iluminação desejado e assim define oangulo de disparo do TRIAC equivalente a este valor. Ao final do artigo os

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autoressugeremaexpansãodoprojetoparaumaautomaçãocompletaatravésdesensoreseatuadoresdiversos.

Pesquisas como a desenvolvida por [Ching, 2010] estudam a eficiência detécnicas de dimerização em lâmpadas LED de alto brilho. Lâmpadas LED sãodispositivosde iluminaçãocomaltaeficiênciaedurabilidadeepor tratar-sededispositivos de estado sólido apresentaram melhor resistência a choques evibraçõesdoquelâmpadasconvencionais.AslâmpadasLEDtipicamenteoperamcomvaloresde110/220VACemsuasentradas.Masosdiodosemissoresdeluzcostumam operar na faixa de 20V DC, dessa forma, é fundamental que aslâmpadas apresentem reguladores para alcançar esta faixa de operação. Nesteartigo,adimerizaçãoépropostaatravésdousodemodulaçãoPWMgeradaporum microcontrolador de baixo custo, esta técnica é baseada no controle dalargura de pulso do sinal e quando aplicada na corrente DC da lâmpada épossívelalterarobrilhodosLEDs.Comointuitodevalidarsuapesquisa,oautordesenvolveuumprotótipodefácilutilização,oqual,atravésdeumbotãoalternaailuminaçãoemumaescalade33%66%e100%dapotênciamáxima.

NoquedizrespeitoàaplicaçõesdeSmartHemcomsoluçõesdeIoT,[Solimanet al., 2013] propôs uma solução baseada em Serviços Web (WS) e CloudComputing. O estudo emprega sensores e atuadores para medir as variáveisambientais e controlar alguns dos aparelhos residenciais usando conexõesZigbee.Todootráfegodedadoscoletadoépersistidonanuvem,oqueestabeleceainteroperabilidadedosdispositivosdemediçãoe,assim,garantequeoclientetenhaacessopormeiodesmartphoneounotebook.

Em [Patel et al., 2016], os autores projetam uma arquitetura que usa oconceito IoT para melhorar o sistema de monitoramento e gerenciamento dahabitaçãoresidencialdousuário,atravésdeacessoremotoe,aomesmotempo,proporcionando mais conforto e segurança. O usuário pode contar com umaaplicaçãoweboumóvelcomacessoaserviçosnanuvem,queincluiumsistemaheurísticoparaoSmartHome.OutrasoluçãoparaoSmartHomeépropostaem[Li et al., 2015], onde é definida uma estrutura de entrega de serviços, quedependedoIoTparaogerenciamentodoconsumodeenergia.

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Notrabalhodescritoem[Chhabra,2016],édesenvolvidaumasoluçãoparaagestãoeotimizaçãodoconsumodeenergiaelétricaeamelhoriadasegurançadas residências dos usuários com base no IoT. A solução inclui sensores desegurança(fogoepresença),módulodereléparagerenciamentodedispositivoseumdispositivocentral(conectadoàInternet).Ainteraçãoentreosdispositivoscom o usuário é realizada através da Internet e uma aplicação móvel para agestãodashabitaçõesresidenciais.

Em [Patchava, 2015] propõem um aplicativo de Smart Home, baseado noconceito de Internet das Coisas, que usa aplicativos para acesso remoto viaInternet. Esta solução está disponível tanto para celulares como para o laptopcom acesso a um nó central. O aplicativo pode ativar ou desativar aparelhosdomésticos e, ao mesmo tempo, gravar um vídeo capturado no modo detransmissãoaovivodoqueacontecenoambiente.

No trabalhoproposto em [Rashid&Han, 2016], é encontradouma soluçãoparaogerenciamentodosdispositivosemumaresidênciaconectadaaumaredeIoT,apartirdeumaabordagemparareconhecerseistiposdegestos(umpunhocom um, dois, três, quatro e cinco dedos) para gerenciar os dispositivos. Aoperaçãodasoluçãoéemtemporeal,emborasejaconfiguradaemduasetapas:aprimeira a obter a imagembinária; O segundo para reconhecer os gestos. SuaestruturaébaseadaemARMCortex-A8paraprocessamentodedadoseoZigbeeéusadoparacomunicação.

Em [Villa et al., 2011], os autores propõem o desenvolvimento de umdispositivo demedição, capaz de realizarmedições e controle de consumo deenergia em sistemas heterogêneos, utiliza como referências deinteroperabilidade o AMI e em padrões demiddleware orientados a objeto. Aimplementação do middleware é em CORBA, com possibilidade de serreimplementado em ICE. O midleware, embarcado no dispositivo, provêinterfacesespecificadasconformeasoluçãodeinteroperabilidadeescolhida,comfuncionalidades de envio demensagens, descoberta de outros elementos paraestabeleceroprocessodecomunicação,alémdisso,suaestruturafísicadependedocenárionoqualseráutilizado.

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Diantedanecessidadederealizarainteroperabilidadeaníveldeintegraçãodeprotocolos, em [Kim&Kim,2011]épropostoumaarquiteturadenominadaObject-based Middleware for Home Network – OHNet, proporcionando umambientenoqualosusuáriospodemprogramar,deformaeficiente,oconsumodométicodeeletricidade,foradohoráriodepico,utilizandoinformaçõescomoaquantidade de energia elétrica consumida por eletrodomésticos e energiaelétrica produzida por geradores domésticos e armazenada em baterias.Finalmente,estemiddleware tornapossível fornecera interoperabilidadeentreváriosdispositivosecontrolá-lospormeiodoAdaptadordeRedeVirtual(VNA),que por sua vez, fornece abstração para vários protocolos. Esta arquitetura écomposta pelas camadas de rede que proveem a interoperabilidade entre osdisposistivos instalados, pela camada de biblioteca de funções, que contém asinformaçõesdecadadispositivo instalado,comoporexemplooestadodecadaelemento (ligado/desligado), e a camada de aplicação, que fornece ao usuárioumainterfacedegerenciamentodaferramenta.

Notrabalhodescritoem[Stjepanetal.,2012],éapresentadoumaanálisedaIEC 61850 relacionada aos requisitos de interoperabilidade especificados nanorma e um estudo da possibilidade de utilização deWeb Services como umapotencial plataforma que poderá realizar a comunicação e a integração entreelementos.AanálisedaaplicaçãodemiddlewareparaopadrãoIEC61850,tomacombaseoPerfildeDispositivosparaWebServices (siglaem inglês,DPWS).ODPWS suporta orientação a eventos e serviços, princípios essenciais que estãoprevistos como elementos integrantes da próxima geração de estruturas deautomação para Smart Grid. Este trabalho ainda ressalta que a evolução destaanálise poderá contribuir para um modelo plug-and-play para dispositivoselétricosinteligentes.

Osautores[Shaominaetal.,2012]elaboramumestudoeaespecificaçãodeummiddleware para coleta de dados com base na IEC 61970 e na tecnologiaRFIDparaSmartGrid.Paraestacoletadedados,sãoutilizadosogerenciamentoavançado de ativos (sigla em inglês, AAM), de acordo com o modelo CIM(CommonInformationModel),normatizadopelaprópriaIECeumaredesemfio.AfunçãoprincipaldoAAMéagestão,aavaliaçãodaexecução,aotimizaçãoea

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utilização de ativos elétricos. Em síntese, esta especificação consiste de 5camadas independentes, com um determinado nível de acoplamento, sendoimplementada via Web Services e linguagem C++. O estudo realizado injetouinformaçõesparaleituradastagsRFID,avaliandoogerenciamentodasmesmas,convertendo-as para o formato XML, especificado nomodelo CIM, e injetandonovamente a informação na rede, a fim de viabilizar a comunicação entreelementos.

Conforme[Zhou&Rodrigues,2013],apróximageraçãodeSmartGrid serácaracterizada por middlewares orientados a serviço, especificados de formareutilizável,provendoumacomunicaçãoconfiável, levandoàsustentabilidadeeestabilidadedesistemasheterogêneos.Diantedessaabordagem,épropostoummiddleware eficiente e integrado para serviços heterogêneos de Smart Grid,adotandotambémfuncionalidadesdeQoSeQoE.

Em [Schinle et al., 2017] é proposto o desenvolvimento de umplugin paraAndroid, baseado no conceito de uma arquitetura modular paradesenvolvimento de soluções móveis no intuito de agilizar o processo deconstrução de aplicações de gerenciamento para Smart Home em dispositivosmóveis.

Foiproposto[Chouetal.,2017]odesenvolvimentodeumsistemaparaSmartHome baseado em tecnologia de fusão de múltiplos sensores e interface demonitoramentointeligente.Comofunçõesprincipaisincluem:i)controleremotodeentretenimento inteligenteeeletrodomésticos; ii)posicionamento internoegerenciamento inteligente de energia; iii) prevenção de incêndios domésticos.Alémdisso,uma interfacedemonitoramento inteligenteédesenvolvidaparaosistema, fornecendo a temperatura ambiente interna, concentração de CO,alarmeambientalesituaçãodeeletrodomésticos.Comoformadegerenciamentoda solução foram utilizados sinais de movimento humano e os resultados daclassificaçãodegestosapartirderedesneurais.

No trabalho [Asadullah&Ullah, 2017] é proposto uma arquitetura voltadapara a automação residencial quepossibilita aosusuários acesso anomáximodezoito equipamentos sendo esses sensores e eletrodomésticos. O hardware é

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composto por um Arduino responsável pelo controle dos dados vindos dosdiversossensoreserelésetambémfazinterfacecomosmartphonequepossuium aplicativo android responsável pelo gerenciamento, toda a comunicação érealizadaviaBluetooth.Osistemasugeridopossuimaisrecursosqueossistemasconvencionais de automação residencial, como um sensor ultra-sônico, usadoparaadetecçãodoníveldaáguaeosensordeumidadedosoloéusadoparaosistemaautomáticodeirrigaçãodeplantas.

Osautoreem[Tayloretal.,2017]criaramumprotótipo(SenseBox)SmartHome de baixo custo que fornecer uma grande variedade de funcionalidades -segurança,controlededispositivos,controledeHVACemonitoramentoremotoatravésdediversossensoresespalhadospelaresidência.Oprotótipotemcomofoco a interoperabilidade, e para isso utilizam um dispositivo PogoPlug queincorpora o kernel Linux 2.6 e possui 128MB de RAM e 128MB dememóriaflash, que tem entradas emódulos ethernet que possibilitam o gerenciamentoresidencialpormeiodeumWebServiceconstruídocomframeworkKlone(PHP).

Noartigo[Huang&Zhang,2017]édesenvolvidoummétododemanipulaçãoparaSmartHomesquefazusodeóculosinteligentes,teladeexibiçãoecâmera,para capturar os gestos de controle do usuário e exibir as informações deeletrodomésticosinteligentescomoporexemploutilizargestosparacontrolaroar-condicionadoeativaredesativaraluz.OprotótipoécompostoporumsmartglassescompossuiconexõesWiFieBluetootheacoplaumacâmeraporondeosgestos sãocaptadoseemseguidasãoconvertidosemaçõesnosequipamentosresidenciais.

A Tabela 4.1 a seguir, relaciona os trabalhos referenciados neste capítulo,expondoaslacunasexistentes,segundoaóticadoautordestaproposta,asquaisservemdemotivaçãoparaaelaboraçãodestatesededoutorado.

Tabela4.1–Síntesedostrabalhospesquisados

Referências Principaislacunasencontradas[Villaetal.,2011] Prioriza o desenvolvimento de um

hardware com solução embarcada,desenvolvida em CORBA; Não especificacomo a solução se adapta a ambientes demudanças dinâmicas ou às normas

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utilizadas para gerenciamento dacomunicação.

[Stjepanetal.,2012] Definição de modelo conceitual,direcionandoparaumaúnicanorma,aIEC61850, propondo ser desenvolvido,exclusivamente,utilizandoWebServices.

[Shaominaetal.,2012] Esta proposta de desenvolvimento demiddlewareparagerenciamentodotráfegode dados dos consumidores, utiliza comobase a IEC, porém fecha em uma únicasolução de interoperabilidade, WebService.

[Zhou&Rodrigues,2013] Proposta de desenvolvimento demiddleware baseado em orientação aserviços.Nãofazcomparativoscomoutrasabordagens,nemespecificaautilizaçãodenormas para realização de testes da suasolução.

[Souza,2014] Sistema embarcado baseado na lógicaFuzzy para controle do consumo deeletricidade e consequente redução dodesperdício de energia. Não apresentaumasoluçãocompletaemSmartHome;A solução só aplicável em ambientescontrolados e o hardware e o softwareprecisariam ser adaptados para uso emsistemasdeautomaçãoresidencial.

[John&Santhosam,2014] Apresenta uma solução em Smart Homevoltadaareduçãonoconsumodeenergia.Não possui qualquer interface com ousuário e não exerce o controle daeconomiadeenergia.

[Gabrieleetal.,2015][Leeetal.,2014] Solução de baixo custo paragerenciamento dos equipamentosresidenciais.Aintegraçãocomsensoresdetemperatura e umidade permitem ummaior controle do ambiente, contudo aexpansãodaredeélimitadaacoberturadarede wi-fi, devido à falta de dispositivosroteadores.

[Ferdoush&Xinrong,2014] Sistema Smart Home de baixo custo.Porém,nãoévoltadaareduçãonosgastosdeenergiaelétricaenemrealizamediçõesdeconsumo.

[Tiwarietal.,2015] Automação residencial baseado emcomunicação por luz visível (VLC). Atecnologia VLC pode apresentar taxas detransferência bem elevadas, destaca-setambém em questões de segurança deinformações,poisosdadosdaredeestarãoconfinadosaoambienteiluminado.Devido utilizar tecnologia VLC, háinterferência ocasionada por objetos

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sólidoseáreascompenumbra,alémdisso,a solução não é voltada a redução nosgastos de energia elétrica e nem realizamediçõesdeconsumo.

[Leitteetal.,2015] Sistemadebaixocustoedefácilutilizaçãoque proporciona conforto e comodidadeaos habitantes, contudo não possui umainterface Web, o autor utiliza o socketcomo midlleware, o que possui recursoslimitados se comparado àWeb Services enãorealizamediçõesdeconsumo.

[Báezetal.,2010] Sistema de controle em dispositivos deiluminação.AaplicaçãoédesenvolvidaemJavamobile,assimpodeserexecutadaempraticamentequalquercelular,mesmoquenão seja um smartphone. Não apresentauma solução completa em Smart Home,implementando apenas o controle dedimerizaçãodelâmpadas

[Ching,2010] Aborda técnicas de dimerização emlâmpadasLED. A modulação PWMpode ser obtida com Controladores debaixocustoepodeserfacilmenteobtida.Atua diretamente na alimentação DC dediodos emissores de luz, na prática amodulação ocorre após a energia ACpassar por reguladores que comumentenão estão acessíveis em lâmpadasconvencionais.

[Waleketal.,2014] Utilização de lógica Fuzzy para ajuste detemperatura. Não leva em consideração ogerenciamento dos demais dispositivosdomésticos e nem interface degerenciamentoWeb.

[Haghifam et al., 2013] [Keshtkar et al.,2015][Patel&Champaneria,2016]

Aborda o uso da Lógica Fuzzy paraagendamento de utilização deeletrodomésticos a partir deparametrizaçãodosusuários.Nãoestabelecritérios inteligentes que visem aotimizaçãodoconsumodeenergia.

[Shojietal.,2014] Utiliza Redes Baysiana para otimizar oconsumo de energia, contudo somenteexploraapartirdeparâmetrosdeconfortode eletrodomésticos parametrizados pelousuário, não considera qualquerintervenção/acionamento para assimreduzir o consumo de energia em outrosaparelhos.

[Solimanetal.,2013] Aplicação de serviços em nuvem paraSmart Home, coletando dados ambientaisde consumo de energia. Não especifica asformas que o usuário pode gerenciar oseletrodomésticosconectados.

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[Pateletal.,2016][Lietal.,2015] Utilizam o mesmo serviço de IoT(computação em nuvem), paragerenciamento das variáveis ambientaisinternas a partir de aplicações WEB oumóveis, porém não estabelece o nível deatuação (gerenciamento) nos dispositivosconectados.

[Chhabra,2016] Este trabalho consideraça apenas orequisitodesegurançaresidencial,apartirde transferência das imagens de circuitosdevigilânciaesensoresdemovimento,sobumserviçoemnuvem.

[Patchava,2015] Usa a mesma aplicação de [Patchava,2015],porémagregafuncionalidadesparaligar/desligar os eletrodomésticos.Contudo,nãoaplicaqualquerestratégiadereduçãodeconsumodeenergia,deixandoestadeduçãoparaousuárioresidencial.

[Rashid&Han,2016] Utiiza uma rede de serviços IoT paragerenciamento de eletrodomésticos apartir de reconhecimento de sinais. Nãoestabelece critérios para otimização deconsumoeinterfacesdegerenciamento.

[Schinleetal.,2017] Não estabelece as especificações paraconstrução do hardware demonitoramento.

[Chouetal.,2017][Huang&Zhang,2017] Apesar de aceitar e monitorar diversossensores e equipamentos, não especificaformas de conectividade com aconcessionária nem com outras apliçõesdegerenciamento,somentegestos.

[Tayloretal.,2017] Não especifica de forma clara comoestabelecer a interoperabilidade entre oselementosdemedição

[Asadullah&Ullah,2017] Utiliza reconhecimento de gestos pararealizar o gerenciamento deeletrodomésticos a partir de utilização deóculos3d,destaformanãoespecificacomodesenvolver novas aplicações paragerenciamento e interoperabilidade entreoselementos.

A tabela 4.2 descreve um comparativo dos trabalhos referenciados nestecapítulo, considerando-se algumas das principais características efuncionalidadesdaarquiteturaSmartCoM.

Legenda:x:atende;p:atendeparcialmente;o:nãoatende;

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Tabela4.2–ComparativodasprincipaisfuncionalidadesdaarquiteturaSmartCoMemrelaçãoaostrabalhosreferenciadosparaSmartHome.

Referências

PrincipaisFuncionalidadeseCaracterísticasdaArquiteturaSmartCoM

Comunicação

exclusivapara

monitoramento

Presençade

interfacee

políticasde

comunicação

externa

(concessionária)

Flexibilidade

parainclusão

denovos

módulosde

gerenciamento

Interoperabilidade

Modular

e

escalável

Desriçãode

interfacepara

integraçãode

softwaresde

gerenciamento

Segurança

Possibilidade

deinclusãode

técnicasde

inteligência

computacional

Especificações

claraspara

reprodução

daproposta

hardware

esoftware

externos

Web

Services

[Villaetal.,2011] p p o x o o o o o p[Stjepanetal.,2012] - o o x p p o o o p[Shaominaetal.,2012] o o o p o o o o o o[Zhou&Rodrigues,2013] p x p x o o o x o x[Souza,2014] o o o o o o p o x p[John&Santhosam,2014] x o o o o o o o o x[Gabrieleetal.,2015] o o o o p o x o o p[Leeetal.,2014] x x o o p p p o o p[Ferdoush&Xinrong,2014] x o p o x p p o o p[Tiwarietal.,2015] x o o o o o p o o p[Leitteetal.,2015] o o o o o o x o o o[Báezetal.,2010] p o o o o o o o o p[Ching,2010] o o o o o o o o o p[Waleketal.,2014] o o o p o o o o x p[Haghifametal.,2013] o o o o o o o o x x[Keshtkaretal.,2015] o o o o o o o o x x[Patel&Champaneria,2016] o o o o o o o o x x[Shojietal.,2014] o o o o o o o o x x[Solimanetal.,2013] x o p o x p o o o p[Pateletal.,2016] o o o o o o p o o p[Lietal.,2015] x p o o p o p o o p[Chhabra,2016] p o o o o o p o o p[Patchava,2015] o o o o o o p o o p[Rashid&Han,2016] x o o o o o o o o p[Schinleetal.,2017] p o p p o p p o o p[Chouetal.,2017] p o p p p o p o p p[Asadullah&Ullah,2017] o o o p o o p o o o[Tayloretal.,2017] o o p p p o p o o o[Huang&Zhang,2017] o o p o p o p o o PIndicador de não aderência(%) 51,72 86,20 75,86 68,96 68,96 82,76 48,28 96,55 75,86 13,79

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A partir das comparações apresentdas em síntese na tabela 4.2 há osurgimento de certas lacunas, as quais foram elementos motivadores para adefiniçãoeespecificaçãodaarquiteturaSmartCoM.


Pelo estudo dos trabalhos expostos neste capítulo, observa-se que há umconjunto de pesquisas sendo realizadas no sentido de especificar e avaliar autilização de middlewares, para efetivar a interoperabilidade no nível deprotocolos ou pormeio de soluções de compartilhamento de informações. Decerta forma, ainda existem poucos trabalhos publicados relacionados àinteroperabilidade para Smart Grid, um dosmotivos pode estar relacionado àfalta de consolidação das normas de interoperabilidade para Smart Grid,influenciando na forma estrutural de desenvolvimento de soluções demiddleware.

Por outro lado, as soluções demiddleware para o domínio deSmartHome,porsetrataremdeambientesmaiscontrolados,avançamdeformamaisrápida,pois até o presente momento, são soluções com poucas funcionalidades egerenciamentorestritodeequipamentosdomésticos,possibilitandoumcenáriodedesenvolvimentodeaplicaçõesmaissimples.Oaumentodefuncionalidadeseestratégiasdegerecimento,inclusivecomtécnicasdeinteligênciacomputacionalacabam agregando maior complexidade ao desenvolvimento e produção dasolução, dito isto, a arquitetura SmartCoM engloba diversas possibilidades deagregaçãodefuncionalidadesdegerecimentoemonitoramentoefetivo,alémdeadotarapossibilidadedeinclusãodeténicasdeIA,afimdedirirmirestalacunanaáreadedesenvimentodesoluçõesdemiddlewareparaSmartHome.

Esta proposta de tese aborda uma estratégia inédita para planejamento desoluções de interoperabilidade para Smart Grids, visando à garantia dasespecificidades existentes nas normas como: [IEC61850, 2005], [IEEE2030,2011]e[NIST,2014].

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CAPÍTULO5–SmartCoM:UMAARQUITETURADE

GERENCIAMENTODECONSUMOINTELIGENTEPARASMART

HOME


O cenário de Smart Home consiste em um vasto número de elementosheterogêneos (sensores, atuadores, aplicações de gerenciamento, etc), quenecessitam de um certo nível de interoperabilidade para que estes elementosconsigam compartilhar dados e recursos de fato. Contudo, realizar integraçãodestes inúmeros dispositivos não é uma tarefa trivial, devido por exemplo, ainexistência de interfaces nativas para estabelecer os parâmetros necessáriosparacompartilhardados.

Evidencia-se, então, a necessidade de estabelecerem-se critérios deinteroperabilidade para integração destes elementos, por meio de umaarquitetura inovadora, denominada SmartCoM, capaz de orientar todo oprocessodedesenvolvimentodesoluçõesfimafim,apartirdeumconjuntoderegras e normas de desenvolvimento, e valida sua aplicação em cenários deSmartHome.

Desta forma, o SMartCoM tem como umas das características evitar odesenvolvimentoprématurodesoluçõesdemiddleware,semainvestigaçãodasespecificidades do ambiente, descartando um possível “ponto de falha” nesteprocesso.

Neste sentido, esta tese pretende discutir as especificações de umaarquitetura inovadora, fim-a-fim, para desenvolvimento de middleware emcenários de Smart Home, considerando um conjunto de estratégias deplanejamentoparadesenvolvimentodasolução.

5.2–DEFINIÇÃODOESCOPODATESE

ComopodeserobservadonomodelodereferênciadoNIST(2014),háumaampla variedade de redes de transmissão de dados que devem ser

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implementadasparaqueagranderededeinformaçãodoSmartGrid(eopróprioSmartGrid) se torne funcional. Porém,paraque essas redespossamrealizar atroca/compartilhamentodeinformações,énecessáriooestabelecimentodeumnível de interoperabilidade, seguindo as orientações definidas nas normasexistentes. Contudo, ainda há um grande desafio quanto à harmonização dasdiversasnormasparasechegaremumdenominadorcomumquantoasoluçõesde interoperabilidade. De fato, cada norma é o reflexo das especificidades decada ambiente, porém ajustes podem ser necessários para a realização destaintegraçãodedispositivosdosetorelétrico.

Esta tese de doutorado investiga o uso de soluções de interoperabilidadepara Smart Home, definindo umametodologia para aplicações demiddleware,pormeiodautilizaçãodeumaarquiteturaparadesenvolvimentodemiddlewareparaSmartHome,capazdepromoveraintegraçãodosistemadesupervisãoaossistemasdisponíveisaoconsumidor,aliandoasmaismodernassoluçõesdeTICpara compartilhamento e disponibilização de informações sobre a unidaderesidencial.

5.3–DESIGNDAARQUITETURASMARTCOM

A arquitetura proposta oferece ummodelo inovador de interoperabilidadepara Smart Home com base em serviços IoT. Define a metodologia de ummiddleware baseado em REST e integra o sistema de supervisão daconcessionáriadeenergia(empresa)comoselementosdemediçãodisponíveispara o consumidor. Também é responsável pelo controle de fontes de energiaalternativas (geração distribuída), além de permitir a automação deeletrodomésticos, por meio de dispositivos inteligentes, e o controle demensagensdeconsumo(porexemplo,regrasparaagendaratividadesderotina,consumoemtemporeal,gerenciamentoefetivodeeletrodomésticos,etc.).

O propósito da arquitetura SmartCoM é orientar e auxiliar nodesenvolvimento de aplicações de interoperabilidade para o Smart Home deforma transparente, modular, flexível, escalável e confiável, respeitando asregrasestabelecidasem[IEEE2030,2011],quesãoasmaisimportantessoluçõesdeinteroperabilidadeamplamenteutilizadasnodomínioSmartHome.

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ConformeestabelecidonomodelodereferênciaSGIRM[IEEE2030,2011],aSmartCoMfoiprojetadaparaatenderastrêscaracterísticasdestemodelo,sendo:a)sistemadeenergia;b)comunicaçãoe;c)tecnologiadainformação.

Da perspectiva do sistema de energia, refere-se à produção, entrega econsumo de energia elétrica, incluindo aparelhos, aplicações e conceitosoperacionais, define ainda 7 domínios de comuns, dentre eles o Smart Home,sendoesteodomíniodeaplicacaçãodaarquiteturaSmartCoM.

Com relação a comunicação, representa a conectividade entre sistemas,dispositivoseaplicaçõesnocontextodoSmartGrid(ouseussubdomínios).Estacaracterísticaincluiredesdecomunicação,mídias,desempenhoeprotocolos.NoquetangeasdefiniçõesdaarquituraSmartCoM,nãoháumainterfacepadrãodecomunição,estasomenteserádefinidadeacordocomainfraestruturafornecidapelaconcessionáriadeenergia.

A última característica, tecnologia da informação, estabelece o controle deprocessosefluxodegerenciamentodedados,incluitecnologiasquearmazenam,processam, gerenciam e controlam o fluxo de dados de informações demodoseguro. Neste caso a SmartCoM foi projetada para ser uma solução fim-a-fim,atendendoaosrequisitospropostasdaSGIRMnoqueserefereaogerenciamentoe controle de dados incluindo funcionalidades de segurança da informaçãotransmitida.

A arquitetura também estabelece os parâmetros necessários para fornecerserviços de gerenciamento em nuvem. Essa arquitetura deve ser genérica osuficienteparaquesoluçõesmaiseficientespossamserdesenvolvidasoumesmoampliadas.Osdetalhesdascaracterísticasdestaarquiteturasãoosseguintes:

• Transparência: não há restrições quanto a localização do acesso,desdequeexistaumaconexãocomainternetepermissãoconcedidaaos usuários para gerenciar seus aparelhos monitorados,independentementedesualocalizaçãogeográfica;

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• Modularidade: esta é uma arquitetura aberta. É possível ampliaroutrosmódulosdegerenciamento(gerenciamentodeiluminação,porexemplo),desdequeoprotocolodecomunicaçãosejamantido;

• Flexibilidade: a implementação (hardware e software) não se limitaapenas aos padrões listados nesta tese. Obviamente, as soluçõesdescritas são as mais frequentemente referidas na literaturapublicada;

• Escalabilidade:épossíveladicionarnovosmódulos,alémdeampliarogerenciamentoderede;

• Confiabilidade: o SmartCom incorpora um procedimento paraautenticaçãoesegurançadeinformaçõesnoníveldeaplicaçãodaredeinterna,dentrodospadrõesadotadosnestedocumento;

Aarquiteturanãosepreocupaapenascomresolveroproblemadecomoosconsumidores devem realizar seu gerenciamento residencial, mas tambémprojetaummiddleware fracamenteacopladocomrecursosdepublish-subscribepara IoT. Isso permite que sejam encontradas diferentes soluções deinteroperabilidadequepossamdarsuporteadiferentestiposdemiddleware,nãosóparafinsdeserviçosdaconcessionária,mastambémparaocliente,demodoque a comunicação seja possível entre os sistemas através da troca demensagens; portanto, a escalabilidade do sistema pode ser aumentada sem serestringiraumaúnicasolução.

Quanto à camada de software, atualmente baseada em software livre, sãoestabelecidas as funcionalidades para controle e gerenciamento de todos oscomponentes pertencentes a arquitetura. Além disso, prioritariamente, sãoestabelecidasinterfacesparacontroleegerenciamentodosusuáriosresidenciaisepelaconcessionária,tendocomoprincipaisfuncionalidadesespecificadas:

a) Coleta, transformação, armazenamento e visualização de dados apartir nos elementos de medição, realizado individualmente ou pormeiodemedidorinteligenteacopladonoQuadroGeraldeEnergia;

b) Acionamentoderelésparadesligamentodofornecimentodeenergia,tanto para os utensílios domésticos (funcionalidade exclusiva do

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usuário residencial), quanto geral (funcionalidade para os usuáriosdomésticoseconcessionária);

c) Monitoramento e gerenciamento do consumo de energia, tensão ecorrentedoselementosmonitorados;

d) Especificação de parâmetros de qualidade de energia, conformeespecificadosnomanualdaANEEL;

e) Interfaces lógicas para integração com outras plataformas degerenciamento e monitoramento do consumo de energia (via WebServices), por exemplo aplicações web, móveis e aplicações paraSmartTV;

f) Especificaçãodeinterfacesparaintegraçãocomsistemaslegadosdasempresas distribuidoras de energia, utilizando solução de fracoacoplamentobaseadaemWebService;

g) Coleta, atuação e otimização do consumo de energia relacionado ailuminaçãoresidencial;

h) Inserçãoderegrasparaotimizaçãodoconsumodeenergia.

Além disso, são funcionalidades desejadas de monitoramento egerenciamentoresidencialpelaarquitetura:

• Segurança residencial: fornecer infraestrutura para visualização dasimagens de vigilância, sensores de presença, acionamento de portasautomáticasedossensoresdealarme;

• Monitoramentodoconsumodeenergia:alémdocontroledoconsumode energia já discutido anteriormente, pretende-se ampliar estafuncionalidade para agregar controle mais efetivos em sistemas deiluminaçãoresidencial,comefeitosareduçãodoconsumodeenergia;

• Alternanciaentrefontesdeenergia:apartirdapresençadesistemasde energias renováveis, a arquitura, considerando critériosestabelecidos pelos especialistas das áreas, podem escolher pelaforma/caminho de alimentação residencial, substituindo, porexemplo,aenergiacomercialpeladesistemasdepainéissolares.

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AFigura5.1,ilustraocenáriogeraldeaplicaçãodaarquiteturaSmartCoMemuma residência hipotética. Considerar os seguintes elementos de medição:Unidadecentral(UC),nósdemedição(NMs)edispositivodeiluminação(DI).

Figura5.1–CenáriogeraldaarquiteturaSmartCom.

Fonte:Autor.

A arquitetura proposta também permite a adoção de funcionalidades degerenciamento inteligente, nas quais as heurísticas baseadas em inteligênciacomputacional podem ser empregadas. Este fato permite analisar as variáveisobtidasapartirdoequipamentodemediçãoeextrairpadrõesparacaracterizaro consumo de cada consumidor, de modo que um modelo otimizado possaeventualmenteseraplicadoàsmartmeters.Assim,estaarquiteturanãosótornaocanaldecomunicaçãoviávelentreoselementosheterogêneosparao tráfegodedados,mas tambémoestendeparaqueelepossaserusadoparaanalisareextrairpadrõesdeconsumoparacadausuáriofinalmonitorado.

A Figura 5.2 representa o modelo estrutural que sustenta a arquiteturaproposta. Cada bloco desempenha um papel bem definido que leva emconsideração o funcionamento e as características da arquitetura. É possíveladaptá-laparamelhoraraescalabilidadeeaflexibilidade.

60

Figura5.2–DiagramadaArquiteturaSmartCoM

Fonte:Autor.

A Figura 5.2 fornece uma definição de alguns dos componentes, que sãoessenciais para a reprodução e implementação da arquitetura. Todos oscomponentes de software e hardware foram definidos para sereminteroperáveis e para cumprir padrões abertos, que podem ser adaptados arecursos específicos de um determinado cenário, protocolos de comunicaçãocompatíveis com REST e internos (WI-Fi, Bluetooth, etc.), interfaces decomunicação externas (infraestruture of the power utility). Assim, tanto oscomponentesdehardwareesoftwarepodemserpersonalizadosparausuários,fabricantes e utilitários, pois incluem os recursos de interoperabilidade eadotarampadrõesabertosaoelaboraraarquitetura.

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Os componentes gerais como: nuvem (do inglês, cloud), aplicações locais, aunidade central e o nó de medição, serão definidas com mais detalhes napróximaseção.

5.3.1–NUVEMEAPLICAÇÕESLOCAIS

As camadas de aplicações em nuvem e locais fornecem mecanismos paramonitoraregerenciarelementosdeacordocomoSmartCoM.EssesaplicativosdevemserindependentesdaplataformaecompatíveiscomosserviçosREST.

A camada de nuvem centraliza os serviços essenciais de acesso e omonitoramento remotodoselementosconectados,desdequeofereçaummeiode fornecer informações de qualquer dispositivo conectado à internet. Estacamada especifica e armazena os serviços de banco de dados que sãoresponsáveis por persistir todos os dados de medição transferidos pelasunidades centrais. Além disso, deve fornecer aplicativos de gerenciamento deeletrodomésticos monitorados e serve como mediador em demandas degerenciamentoremoto.

Esta camada também especifica o serviço metaheurístico (técnicas deinteligênciacomputacional),parafornecerummétododeclassificaçãoeficientebaseado no consumo de energia e sua respectiva gestão, análise eestabelecimento de regras para otimização, que podem ser aplicadas aoequipamentodemediçãodecadausuário.

As aplicações locais e remotas são responsáveis pelo gerenciamento dosaparelhos monitorados, por meio de requisições REST, sendo capazes deestabelecerumcontrolecompletodosserviçosdisponíveis,combasenoperfildeacessodousuário.

5.3.2–UNIDADECENTRALENÓSDEMEDIÇÃO

Para unidade central e nós de medição, elementos com as interfaces decomunicação são fornecidos para satisfazer os recursos de comunicaçãoespecificadosnaarquitetura.Aintegridadeémantidaestabelecendoumcanaldecomunicação dedicado para os elementos de medição evitando a perda econcorrência de informações, pela utilização da rede para outros serviços que

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não sejam o de monitoramento. A interface de comunicação IEEE802.15.4/Zigbee é empregada para fins de comunicação interna. Este é umprotocoloderedesemfioparasensoreseredesdebaixataxa,queéamplamenteutilizado para construir redes de automação, como segurança doméstica,controle industrial e aplicaçõesmilitares [Han et al., 2014]. Além disso, tem avantagem de poder economizar o consumo de energia durante umacomunicação,poisfornecefuncionalidadesde“adormercer”quandonãoestáemfuncionamento.

Noquedizrespeitoàquestãodealinhamentocomopadrãojárecomendadopelo Smart Grid, há uma separação entre a rede interna (através da qual ousuário final solicita um serviço e pode usar padrões abertos como Wi-Fi,Ethernet eWiMAX) e a redeque efetivamente forneceo serviço solicitado (nonosso caso, a concessionária) com padrões fechados e potencialmente menosvulnerabilidade, por exemplo, PLC e 4G. No caso da unidade central emparticular, apresençade interfacesde comunicaçãodedadosparao ambienteexterno(aInternet),podeajudarosusuáriosalidarcomosdados.IssoédescritonaarquiteturacomoaInterfacedecomunicaçãoexterna.

Ambasastecnologiasdeacessoàrededevemsertransparentesesujeitasaaplicaçõesdesupervisãoemonitoramento.Acomunicaçãoéofatorchaveparaforneceracessoadadosemdomíniosheterogêneos,incluindooestabelecimentode acesso em tempo real e em qualquer lugar, assim desempenha um papelimportanteparatornarestaarquiteturafuncional.

A arquitetura SmartCoM define alguns níveis de gerenciamento comoconexão,adaptador,contexto,dados,regrasesegurança,cadanívelfoiprojetadopara atendimento de demandas (funcionalidades) específicas para atender atodososserviçosdegerenciamentoecontroledasolução.

O gerenciamento de conexão controla a comunicação entre o supervisor(unidade central) e várias conexões de dispositivos de medição instalados noladodoconsumidor(nósdemedição).Paratanto,faz-senecessáriaautilizaçãode adaptadores (gerência de adaptadores), para efetivar a comunicação entremiddleware, visto que esta proposta especifica uma interface de comunicação

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baseada em WS. Além disso, o gerenciamento de conexões pode antecipar otráfego e, assim, permitir priorizar as mensagens do supervisor, quandonecessário,comoquandosãourgentementeexigidaspelosistemadesupervisãodautilidade.

O gerenciamentode contextodesempenhaumpapel no gerenciamentodasvariáveisdeambientedaarquiteturaeincluioseguinte:portasdecomunicação,classes de prioridade de mensagem para controle e supervisão, regras emcriptografia, etc. Para um controle mais efetivo e transparente, é necessárioidentificarcadadispositivomonitoradopelonódemedição.

Cada aparelho registradono sistemadeve ter seu códigode identificação eseu tipo, se for essencial, no que tange ao acionamento via sistema demonitoramento.Ocampocódigodeidentificaçãotemafunçãoderegistrardeformaautomatizadaumnúmero identificador(endereçamentoMAC)paracadautensíliomonitorado,ocampotipodefiniráqualo tipodeequipamentoestarásendo registrado e o campo criticidade terá um valor de 0 ou 1, onde 0 édefinidocomoaltamentecritico,ouseja,oequipamentomonitoradonãodeverásofrer acionamento do nó central para desligamento manual ou programado,enquantoqueparaovalor1,oequipamentopoderásofreracionamentodonócentralmaisvezes.Estecampotempapelfundamentalnacomposiçãodasregrase na definição de estratégias (políticas) de otimização do consumo de energiaresidencial, além de fornecer uma visãomais clara do padrão de consumo decadaequipamento.

Ogerenciamentodemeta-heurísticasénecessárioparaaimplementaçãodetécnicas de inteligência computacional. E a partir da escolha da técnica seráresponsávelporextrairpadrõesdeconsumooucriarumconjuntoderegrasdeotimização que podem ser aplicadas em dispositivos inteligentes. Estaarquitetura discutirá com mais detalhes no capítulo de Estudo de Caso avalidação desta camada, a partir da especificação e teste da lógica Fuzzy paracontroledoconsumodeenergia.

Ogerenciamentodedadosarmazenaemanipulaosdados(localeremoto),queéobtidoapartirdedispositivosdemedição,variáveisdeambienteebanco

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dedadosremoto(nanuvem).Nofuturo,elestambémservirãoparaarmazenarregras baseadas em metaheurísticas (ou seja, gerenciamento de regras). Estacamadadeveexistirtantoparaosupervisorcomoparaoconsumidor,umavezque não há obrigação por parte dos fabricantes de fornecer interfaces paraarmazenaregerenciarregrascriadas.

Um sistemade gerenciamentode segurança, da perspectiva da aplicação, éresponsável por estabelecer critérios de segurança para autenticação,transações, recuperação de falhas, criptografia e acesso aos serviçosimplementados na plataforma. Como esta arquitetura prevê o uso de serviçosweb baseados em REST, o uso de tecnologias de segurança para garantir aconfiabilidadedeinformaçõeseacessoéfortementerecomendado,porexemplo,o framework OAuth2. Além disso, esta camada não lida com questões comoaquelas relacionadas ao exterior ou a rede de telecomunicações entre aconcessionária de fornecimento e o usuário final. No entanto, este documentopressupõe que os requisitos de segurança serão atendidos pela rede, que édisponibilizada pela concessionária. A literatura especializada mostra váriasmaneiras de implementar a rede de telecomunicações para este objetivo, porexemplo,conformediscutidoem[IEEE2030,2011].

A camada demiddleware geralmente fornece uma visão de todos os seuscomponentes e pode ser usada, por exemplo, para produzir mensagens decontrole, como desligar remotamente, e também para ajuste de consumo,alternandoentrefontesdeenergia,armazenandovariáveisdoambienteinternoeexterno.Alémdisso,éresponsávelporestabelecercomunicaçãocomserviçosde gerenciamento de nuvem. Este é ummódulo independente, que está sob asupervisão da concessionária, uma vez que a concessionária usa ferramentasproprietárias, sem qualquer interface, para facilitar sua integração com outrasnovasaplicações.Noentanto,acamadapermitequeagestãosejarealizadapeloclienteepelosupervisorpormeiodesoluçõesbaseadasemREST.

Onódemediçãoéresponsávelporcapturartodasasmediçõesdosutensíliosmonitorados (aquisição de dados), gerenciando as mensagens de atuação e

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controle(controledemensagens)emanipulandoosdadosenviadoserecebidospelarede(controlederede).

5.4–SMARTCOM:MODELAGEMEIMPLEMENTAÇÃODOPROTÓTIPO

A partir dos conceitos e especificações descritas, esta seção tratará dosaspectos de modelagem dos módulos físicos (hardware) e lógicos (software),paraefeitodevalidaçãodaarquiteturaSmartCoM.

5.4.1–DESIGNDOHARDWARE

Além de todos os recursosmencionados anteriormente, o hardware do nócentral deve ser capaz de acomodar a instalação dos aplicativos (tanto omiddleware quanto outro software necessário para armazenar os dados) etambémgerenciar emonitorarosnósdemedição.Conformeos requisitosdosusuáriosfinais.

Umnódemediçãocoletadadosdossensoresetransmite-osparaonócentralatravésda redeZigbee.Elenãoapenasativaaunidadedecoleta,mas tambéminterrompe aparelhos domésticos (ou seja, a energia on / off). O cenário idealparaummonitoramentoefetivodaresidênciaéquecadaaparelhodeveterumnódemediçãoconectadoaele.

Onócentraltambémdesempenhaumpapelfundamentalnomonitoramentoe gerenciamento de cada utensílio conectado, coletando dados sobre fatorescomocorrente,tensão,energiadoconsumidor,dataehoradamedição.Todososdados são encapsulados na payload Zigbee e reencaminhados para a unidadecentral.SuasespecificaçõessãoilustradasnasFigura5.3e5.4.

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Figura5.3–Diagramaestruturaldonódemedição

Fonte:Autor.Figura5.4–Diagramaestruturaldonódemediçãoparailuminaçãoresidencial.

Fonte:Autor.

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Conformemostrado na Figura 5.3, o nó de medição é iniciado fornecendotensãode5vparatodoocircuito.Depoisdisso,osensorHallEffecteosensordetensão são usados para ler o medidor e reencaminhar os dados para omicrocontrolador. Os dados são empacotados e enviados via Zigbee para o nócentral.Damesmaforma,onócentralpodeenviarumamensagem(deativaçãooudesativação)aodispositivo finalquepodeounãoativarumaretransmissãono aparelho conectado. A figura 5.4 apresenta uma ampliação paradesenvolvimento da solução de hardware ampliando as funcionalidades daarquiteturaparagerenciamentodailuminaçãoresidencial.

AFigura5.5ilustraoprotótipodonódemediçãocombasenasespecificaçõesdescritasanteriormente.

Figura5.5–Protótipodonódemedição

Fonte:Autor.

5.4.2-DESIGNDOSOFTWARE

O objetivo deste trabalho é habilitar os recursos de interoperabilidade daSmartHome.Porestarazão,umacamadadeserviçofoiimplementadacombasenoserviçoREST,quepermiteainteroperabilidadeentreasoluçãodemediçãoeoutros aplicativos de gerenciamento externo. Em geral, esses aplicativosexternos devem ser compatíveis com a tecnologia WS adotada nesta tese. AFigura5.6ilustraoscomponentesdasoluçãodemiddleware.

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Figura5.6–Diagramadoscomponentesdacamadadeserviço(middleware).

Fonte:Autor.

A integração usa o REST, como middleware, e inclui os recursos dastecnologias acima mencionadas, pricipalmente no que se refere ainteroperabilidadecomsistemasdaconcessionáriaviasoluçõesIoTeaplicativosbásicos para gerenciamento e controle dos eletrodomésticos. Estemiddlewarepossuiumainterfaceparacomunicaraplicativosdeusuáriosfinais(sistemasdeconsumo e utilidade), juntamente com equipamentos de medição residencial.Além disso, ao usar este recurso, é possível realizar várias atividades degerenciamento e controle, por exemplo, para consultar os dados de mediçãoarmazenados pelo nó central em um banco de dados e parametrizar atransferência de dados de medição para o sistema de supervisão daconcessionária.

Atabela5.1descreveasfuncionalidadesimplementadasnoWS:

Tabela5.1–FuncionalidadesdoWebServiceRESTMÉTODODOWSENTRADA SAÍDAlogin()

• Nome;• Senha.

• Falso;• Verdadeiro.

InsertEquipment() • Endereçomacdodispositivo;• Prioridade(alta,média,baixa);

• Confirmaçãodesucessoouinsucesso.

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• Tipodedispositivo.editEquipment()

• Endereçomacdodispositivo;• Prioridade(alta,média,baixa);• Tipodedispositivo.


removeEquipment() • endereçomacdodispositivo. • Confirmaçãodesucessoouinsucesso;

getEquipament()

• Listacomtodososequipamentoseseusatributos (mac_node; descrição,prioridade, status) conectados ao nócentral,emformatoJSONObject.

getConsultEquipmentToMac()

• Endereçomacdodispositivo.

• JSON Object com os atributos(mac_node; descrição, prioridade,status)doequipamento.

getAppliances()

• Nome de todas as aplicaçõesdisponíveis

status()

• Endereçomacdodispositivo;• Status(on/off).


getVoltage()

• Endereçomacdodispositivo. • Valordatensão.

agenda_inicio()

• Inicioparaligarequipamento;• Endereçomacdodispositivo.

agenda_fim()

• Inicio para desligarequipamento;

• Endereçomacdodispositivo.

calculeKWS()

• Tensão;• Corrente.

• PotenciaformatoQuilowatt-segundo.

convertKWSToKwh()

• Potencia formato Quilo watt-segundo.

• PotenciaformatoQuilowatt-hora.

getIlumination()

• Endereçomacdodispositivo. • ValordaIluminação(LDR)

getLux()

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• Endereçomacdodispositivo. • ValordaIluminação(Smartphone)

convertLuxToDimming()• Valor da Iluminação

(Smartphone)• Valor a ser aplicado na variável

dimming

Noentanto,algumasfunçõesserãolimitadasaotipodeusuárioparagarantirasegurançaeocontroleindividualerestritodecadaaparelhomonitoradopeloresidente.Porexemplo,aconcessionária,aprioiri,nãoestáautorizadaadesligarosaparelhosmonitoradospelasolução.Estaéapenasatarefadoresidente.Poroutro lado, a concessionária pode interromper a energia manualmente, umapráticaqueéusadaatualmente.

A Figura 5.7 ilustra, em uma visão macro, a especificação das principaisfuncionalidadesparaconstruçãodaplataformadegerenciamentointeroperávelparaSmartHome.

Figura5.7–Diagramadecasodeusomacrodomiddleware.

Fonte:Autor.

A Figura 5.8 apresenta o diagrama de caso de uso das funcionalidadesprevistas para a camada de serviço, bem como sua associação aos possíveisusuáriosdosistema.

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Figura5.8-DiagramadecasodeusodasfuncionalidadesdoWS.

Fonte:Autor.

A Figura 5.9 ilustra o diagrama de classe do servidor, onde a classeWS éresponsávelpordisponibilizarosserviçosRESTfulaosclienteseclassereceptoré responsável por coletar os dados provenientes do nó de monitoramento. Aclasse DAOConsumo é responsável por fazer as operações de ler, escrever,atualizaredeletarinformaçõesnabasededados.

Figura5.9-DiagramaclassedoWebService.

Fonte:Autor.

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O modelo de entidade relacional do banco de dados é representado pelaFigura 5.10.Nessemodelo, pode-se perceber a tabelaNode_appliance, local dearmazenamentododiversosnósdemonitoramento,quetambémestáassociadoà tabelaconsumer, responsávelporarmazenarosdadosdaunidadecentraleatabelaAppliance_type,definidapelostiposdeutensíliosdomésticosdisponíveis.

Para armazenamento dos dados coletados pelo nó de monitoramento, sãoutilizadasastabelasData_consumereData_month.Aprimeiraéresponsávelporarmazenar os dados coletados pelo UC sem restrições, a segunda tem porobjetivoguardarasomadosdadoscoletadosnoperíododeummês.

Figura5.10–DiagramaEntidaderelacionamento.

Fonte:Autor.

Comoformadeespecificarasoluçãofim-a-fim,édetalhadopelaFigura5.11(diagramadeclasseCliente)-umexemplodesoluçãomóvelaserintegradanaarquitetura SmartCoM, para efeito de gerenciamento de monitoramento dosequipamentos,ondeamaioriadasclassesdopacoteFragments,LoginActivityfazinstânciadaclasseReadJsonAsyncTaskdopacoteConnection,queéresponsávelpeloconsumodoserviçoRESTful.OClienteinformaparaclasseoIPePortaparaconexãocomoservidorinstaladonaunidadeconsumidora.Asclassesdopacote

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Fragmentssãoresponsáveispelacriaçãodoslayoutsdosistemacomo:visualizargráfico,configurações,ligaredesligarequipamentoeetc.AclasseLoginActivityéresponsávelporcriarlayoutqueautenticaousuárionoservidor.

Figura5.11-Diagramadeclassedoaplicativomóvel.

Fonte:Autor.


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Este capítulo apresentou a proposta e especificação de uma arquiteturainovadora denominada SmartCoM, definindo com detalhes as funcionalidadesdesejadasdasolução,estabelencoolayoutfísico(hardware)elógico(software)parafuturaimplementação.

Ainda é possível, a partir das funciondalides especificadas, realizarcustomizações, de acordo com a espeficidade do cenário, visando a umaadaptabilidadeeconfiabilidadedaimplantaçãodeSmartCoM.Alémdisso,podemexistir funcionalidades ainda não especificadas para integrar de fato a soluçãocom as infraestruturas da concessionária; contudo, como esta arquitura temcaracterísticasflexíveisemodulares,épossívelaampliaçãooumudançanasuaestruturafísca.

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CAPÍTULO6–ESTUDODECASO


EstecapítuloapresentaostestesevalidaçãodaarquiteturaSmartCom,desdea conectividade física entre seus componentes e a rede, validação dasfuncionalidades lógicas para realização de comandos remotos, por meio deaplicaçõesparagerenciamentoemonitoramentropelousuárioeautilizaçãodeLógicaFuzzyparareduçãodeconsumoresidencial.

InicalmenteserãomostradososresultadosdaimplementaçãodaarquiteturaSmartCoM,oselementosdehadwareesoftwareutilizados,aimplementaçãodassoluçõesWebemóveleostestesdemediçãorealizados.

Em seguida, a partir da ampliação possível pelas características daarquitetura, seráapresentadaumaversãoparamonitoramentodoconsumodeenergia em iluminação, seus resultados de medição e aplicações demonitoramento.

Finalmente, os testes utilizando a lógica Fuzzy no protótipo desenvolvidoserãoapresentados,assimcomoaadiçãodepossibilidades(perfis)parareduçãodeconsumodeenergiaapartirdedecisõestomadastendocomobaseasaídadasheurísticasFuzzy.

6.2–MEDIÇÃODOCONSUMODEENERGIAEACIONAMENTOVIASOLUÇÃO

WEBEDISPOSITIVOMÓVEL

O desenvolvimento da arquitetura SmartCOM foi iniciado com o trabalhodesenvolvidopor[Andradeetal.,2017],apartirdaespecificaçãodefinidanestatese.

Oexperimentoapresentadoneste capítulo temcomo finalidadea validaçãoda arquitetura, de forma geral, e do desenvolvimento do protótipo do nó demonitoramentobaseadonocircuitoilustradoanteriormentenaFigura5.3.

A implementação da versão de teste utiliza como módulo controlador oArduino NANO e o sensor de corrente, os quais foram acoplados na placa de

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circuito. Como características de conectivadede energia, o protótipo temduasentradaseumasaídaqueserãodetalhadasaseguir:(i)saídadatensão110Vou220Vparaumequipamentoconectado; (ii) entradada tensão110Vou220Vaser conectado na rede residencial; (iii) entrada de alimentação 5v do circuito.Considera-sequeestaplacaatendederáumeletrodomésticoporvez.

Paraa interaçãodousuáriocomosequipamentos,necessitou-sedacriaçãodosaplicativosqueirãomostraremtemporealoconsumoepoderãocontrolaros equipamentos conectados à rede. Além disso, para que o usuário possa teracessoàsfuncionalidadesdoaplicativomóveleweb,primeiroteráquefazerseucadastroinformandoosdadosdaunidadeconsumidora,emailesenha.Depoisdeserautenticado,seráliberadooacessoaoaplicativorelacionadoàsuaresidência.As Figuras 6.1 e 6.2 ilustram as interfaces do aplicativo WEB e móvel,respectivamente.

Figura6.1–SistemaWEBdemonitoramento.

Fonte:Autor.

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Figura 6.2 – Aplicação móvel (a) Tela de gerenciamento de eletrodomésticos (b) Tela devisualizaçãodatensão(c)AlertaFuzzy.

Fonte:Autor.

Além de poder visualizar os dados pormeio das soluções desenvolvidas, apartir de dados armazenados localmente (apenas os do mês de medição nodispositivocentral)oudadosarmazenadosremotamente(utilitário), tambémépossívelobteroutrosresultadosmanipulandooconjuntocoletado.AFigura6.3ilustraoníveldeconsumodoequipamentomonitorado.

Figura6.3–Gráficodevisualizaçãodoconsumo(kWh).

Fonte:Autor.

Da mesma forma, também é possível manipular os dados armazenadosacercadequantidadeselétricas,comotensãoecorrente,conformemostradonasFiguras6.4e6.5aseguir.

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Figura6.4–Visualizaçãodacorrente

Fonte:Autor.Figura6.5–Visualizaçãodatensão.

Fonte:Autor.

6.3 – AMPLIAÇÃO DA ARQUITETURA PARAMEDIÇÃO E GERENCIAMENTO

DOCONSUMODEENERGIAEMILUMINAÇÃORESIDENCIAL

De acordo com as especificações definidas para a implementação daarquitetura SmartCom [Oliveira, 2017], ampliou-se e implementou-se ummodelodeusomaiseficienteemsistemasdeiluminaçãoindoor,validandoassimascaracterísticasdeflexibilidadeemodularidadedaarquiteturaSmartCoM.

Este protótipo utiliza tecnologias como Raspberry PI© e Arduino©,responsáveis pela lógica e controle do sistema, os quais estão integrados aos

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equipamentos de gerenciamento e medição, mantendo uma comunicarão pormeio de uma rede sem fio Zigbee. Por sua vez, a aquisição de dados e omonitoramentoserãorealizadosapartirdeumgrupodesensoresdecorrente,tensãoe luminosidade.Aatuaçãododispositivoé fundamentadaemprincípiosluminotécnicos e visa a proporcionar economia de energia elétrica garantindoconfortovisualaosmoradores.Outilizadordosistematambémpoderáinteragircom o sistema por meio de aplicações móveis ou Web, baseadas em WebServices.

O protótipo do dispositivo de iluminação (DI) é responsável por coletar osdados brutos dos sensores e enviá-los paraUC utilizando à rede ZigBee. Alémdisso,estedispositivoatuadiretamentenocontroledebrilhodeumalâmpada.Paraqueomonitoramentoresidencialsejaefetivo,cadalâmpadadeveráterumDIinstaladoaela,comumregistrológico(armazenamentodeinformações)paraidentificaçãodosDIassociadoacadalâmpadadaresidência.

ODItempapelfundamentalporcoletaregerenciarcadaequipamentoaeleconectado,sua instalaçãoérealizadadiretamentenaredeelétricaresidencialedeveserlocalizadopróximoàlâmpadaasercontrolada.Odispositivorealizaráconstantementeacoletadedadosdecorrentee tensãoelétricaassimcomodailuminaçãoambiente.OsdadoscoletadossãoencapsuladosnapayloaddoZigBeepor meio do Arduino, o qual fará o tratamento dos dados que serãoencaminhadosàunidadecentral.SeudiagramaconceitualdefuncionamentoestáilustradonaFigura6.6.

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Figura6.6–Diagramaconceitualdomodelodegerenciamentodeiluminação.

Fonte:Autor.

O dispositivo proposto tem como objetivo gerar uma economia real noconsumo de energia elétrica por intermédio da variação de luminosidade delâmpadas,mantendooconfortovisualdousuáriofinal.Ocritérioparaaescolhadoscomponentessebaseounoconsumodeenergia,nocusto,nadimensãoenaconfiabilidadedosistema,comointuitodeoferecerleiturasprecisasepermitiruma fácil expansão na rede de dispositivos, sem que omesmo tenha um altocustoagregado.

O dispositivo de iluminação foi desenvolvido adotando a técnica demodularização. A partir desta técnica é possível dividir o estudo em partesmenores e que exercem funções especificas, na prática ela otimiza odesenvolvimentoepossibilitatestesindividuaisacadaumdestesmódulos,oDIécompostoporquatromódulos:

• Alimentação: Este módulo é responsável por suprir a demanda deenergiaelétricade todososcircuitosdodispositivo.Écompostoporumafontechaveadaeumregulador.

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• Processamento e Comunicação Sem Fio: Este módulo é responsávelpela leitura de sensores por meio da conversão analógico-digital,processamentodeinformaçõeseacomunicaçãosemfio.

• Aquisição de Dados: Este módulo contém os circuitos que atuarãocomosensores,realizandoleiturasdeiluminaçãoambienteeconsumododispositivoemmonitoramento.

• Dimmer:Móduloatuadorresponsávelpeloaumentooudiminuiçãonailuminaçãodeumalâmpada.

DiantedaimplementaçãodoDI, foramrealizadosotestedefuncionamento,que tem por objetivo avaliar o comportamento do sensor ao longo de umasemanadetestes.AsFiguras6.7a6.13representamgraficamenteavariaçãodeluz captada pelo sensor ao longo de cada dia durante uma semana de análise,realizandoumaamostragemacadacincosegundosemumambienteresidencial.

Ocômodoanalisadorecebeiluminaçãonatural,atravésdeumaúnicajanela,assimcomoiluminaçãoartificial,atravésdeumalâmpadafluorescente.Osensorfoiposicionadodeformaequidistanteentreajanelaelâmpadaparaumamelhoranálise.

Figura6.7-Monitoramentodeiluminação(Dia1)

Fonte:Autor.

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Figura6.8-Monitoramentodeiluminação(Dia2)

Fonte:Autor.Figura6.9-Monitoramentodeiluminação(Dia3).

Fonte:Autor.

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Figura6.10-Monitoramentodeiluminação(Dia4).

Fonte:Autor.Figura6.11-Monitoramentodeiluminação(Dia5)

Fonte:Autor.

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Figura6.12-Monitoramentodeiluminação(Dia6).

Fonte:Autor.Figura6.13-Monitoramentodeiluminação(Dia7).

Fonte:Autor.

Apartirdaleituradosgráficos,épossívelobservarqueosensorfoicapazdeidentificar com precisão toda a variação de iluminação ao longo da semana.Destaca-seo aumentoda iluminaçãonasprimeirashorasdodia assim comoadiminuição ao fim da tarde. A iluminação artificial foi utilizada em algunsmomentos e comprometeu os gráficos tipicamente em períodos noturnos, acaptação desta iluminação é de aproximadamente 512 na conversão A/D.

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Destacam-se também variações durante o período vespertino, provocadasprincipalmenteporchuvas.

Conforme a análise e teste de funcionamento do protótipo, foramdesenvolvidas as aplicações de gerenciamento (baseadas nas definições daarquitetura SmartCoM). A proposta deste programa é permitir que o usuáriodetermine a potência de uma lâmpada de acordo com suas preferências ourealizar um ajuste automático de iluminação de forma fácil e necessitandoapenasousodeseusmartphone.Ointuitodestetesteépermitirqueousuáriodetermineapotênciadeumalâmpadadeacordocomsuaspreferências.

AFigura6.14exibeaactivitydesenvolvidaquepermiteaousuárioocontrolede uma lâmpada, o número exibido no canto superior esquerdo é a leitura dosensordeiluminaçãodosmartphone,medidaemlux;abaixoéexibidaumabarrade rolagem, na qual o usuário deve escolher a potência que deseja aplicar alâmpada, existe também uma opção automática que será melhor explicada aseguir.

Figura6.14-Interfacedaaplicaçãoparacontrolemanualdailuminação.

Fonte:Autor.

A lógicaescolhidaparaodesenvolvimentodesta funcionalidadeconsistenaaplicaçãosubmeteraoWebServiceovalordeiluminaçãodesejadoseguidodoscaracteres “-m” que, posteriormente, serão tratados pelo dispositivo deiluminaçãoeindicaramtersidoobtidospormeiodomodomanual.Atabela6.1

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exibeosvalosaseremaplicadosnavariáveldimmingdeacordocomapotênciaescolhida.

Tabela6.1-Valosdavariáveldimmingdeacordocomapotênciaescolhida.Potência

Escolhida (%) dimming Potência Escolhida (%) dimming

0 min 55 45 5 min 60 40

10 90 65 35 15 85 70 30 20 80 75 25 25 75 80 20 30 70 85 15 35 65 90 10 40 60 95 max 45 55 100 max 50 50

Como resultado, o teste de controle foi bem sucedido, apresentandorespostas rápidas às interações do usuário. Também não foram percebidasperdasdepacotes,assimcomonãoocorreutravamentosouproblemasdeoutranaturezanaaplicação.

De forma semelhante ao apresentado no teste anterior, o teste automáticoconsiste em avaliar a aplicação e o sistema como todo na dimerização delâmpadas.Apropostaparaestetesteconsisteematuarnobrilhodalâmpadadeforma automática, calibrando o ajuste de iluminação conforme as leituras dosensordeiluminaçãonosmartphone.

A funcionalidade proposta para este teste foi implementada na mesmaactivity desenvolvida para o teste anterior. Utilizando-se domodo automático,para isto, basta marcar o checkbox acompanhado da palavra “Auto”. Nestemomento, a barra de rolagem se torna indisponível e todo controle passa aocorrerdeformaautomática,atualizando-seapenasdaleituradosensor.

A programação envolvida nesta funcionalidade consiste, por parte daaplicação,noenviodaleituradosensordeluzaoWebService,queemseguidaéencaminhada ao dispositivo de iluminação. Neste pacote são enviados apenasnúmeroseaausênciadoscaracteres“-m”indicarãoaomicrocontroladortratar-sedeumvalorobtidopelomodoautomático

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6.4–USODELÓGICAFUZZYPARAREDUÇÃODOCONSUMODEENERGIA

A lógica Fuzzy introduzidana arquitetura SmartCom, a partir de estudodedissertaçãodemestrado[Andrade,2017]temcomoobjetivoalertarousuáriodeforma rápida e responsiva, sobre o seu consumo energético atual e oprovisionamentodomesmo.Evitando,assim,possíveisextrapolaçõesbemcomoodesperdíciodeenergiaelétrica.

O sistemaFuzzyproposto consiste emduas variáveis de entradas (Inputs),sendoumacaracterizadapeloÍndicedeConsumoeaoutrapelaPorcentagemdoMês.

A Base de Regras (BR), no primeiro momento, possuia 30 regras. Após aanálisedeumespecialistaemlógicaFuzzy,estafoireduzidapara26regras.Pelasua característica nebulosa, a BR da lógica Fuzzy não deve ter a mesmaquantidadede regraspossíveisna combinaçãodos seus inputs, razão estaquecorroboracomimportânciadaanálisedeumespecialistacomointuitoderetirarregrasmenospertinentessemimpactarnosresultados.

A saída do sistema (Output) é caracterizada por somente uma variáveldenominadadePrevisãodeConsumo.

Com a presença de duas entradas e uma saída, o sistema da lógica Fuzzyproposto no trabalho é um sistema MISO (Multiple Input, Single Output. Emportugês,MultiplasEntradas,ÚnicaSaída).

NaFigura6.15,épossívelveropanoramageraldosistemaFuzzycompleto.

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Figura6.15-OverviewdosistemaFuzzy.

Fonte:Autor.

6.4.1–VARIÁVEISDEENTRADA

Avariáveldeentrada, ÍndicedeConsumo(IC),da lógicaFuzzy,presentenaFigura 6.15, tem como objetivo estabelecer parâmetros e padrões sobreconsumo energético do usuário. Por meio da Equação 4, um índice é geradobaseadonamédiadeconsumoqueousuáriogostariadeterounasuamédiadeconsumo mensal. As variáveis presentes na fórmula, são alimentadasautomaticamentepelosistemaSmartCom:

!" = $%& '

() (4)

Sendo IC, o Índice de Consumo; C, consumo energético até o dia; Dm, o dia do

mês; A, média histórica de consumo; e Dr, número de dias no mês.

Com o resultado da equação, obtem-se um número entre 1 e +∞, no qual

representa se o usuário está ou não na sua média de consumo, de forma que se o

resultado do IC for igual a 1, corresponde que o usuário está na sua média de

consumo. Se o resultando, por exemplo, for igual a 2, pode-se inferir que o

consumidor dobrou o seu consumo energético e, por conseguinte, em outros valores.

89

A entrada Índice de Consumo no sistema de inferência Fuzzy, é caracterizada por

6 curvas triangulares (conforme ilustrado na Figura 6.16), cada uma com seu grau de

pertinência máximo (1) distruídos entre uma faixa de possíveis resultados do IC, que

no universo estudado, vai de 1 a 2. Cada curva é representada por uma porcentagem

(0 ~100%) de consumo extrapolado. Por exemplo, a curva em vermelho indica que o

consumidor está extrapolando em 20% do seu consumo energético somente quando o

resultado do IC for igual a 1.2.

Figura6.16-Entrada“ÍndicedeConsumo”nosistemaFuzzy.

Fonte:Autor.

Asegundaentradada lógicaFuzzy,presentenaarquiteturaSmartCom, temcomo objetivo estabelecer em que período do mês o consumo está sendoanalisado. Este input divide o mês em 5 curvas, triangulares, nos quais cadacurva representa uma devida porcentagem do mês, conforme visto na Figura6.17.

90

Figura6.17-Entrada“%mês”nosistemaFuzzy.

Fonte:Autor.

Aprimeiracurva,decorazul,representaseugraudepertinênciamáximo(1)atéodiaquecorrespondea20%deumaescalade1a30dias(6ºdia).Apósosexto dia, a curva 20% começa a decair gradualmente, enquanto a curvacorrespondentea40%domêscomeçaasubir, lentamente,atéatingirseugraudepertinênciamáximo(12ºdia).Esseprocessocontinuaatéaúltimacurvaquepossuiseugraudepertinênciamáximonotrigésimodia.

Osvaloresobtidospelasduasentradasserãomanipuladospeloconjuntodebasederegras,noqualfaráainferênciadosistemaFuzzyegeraráassuassaídas.

6.4.2-BASESDEREGRASEINFERÊNCIA

ConformeilustradoaseguirnaFigura6.18,abasederegrasdalógicaFuzzyécompostapor26regrasetodascomacaracterísticas“IF-THEN”(SE-ENTÃO,emportuguês),noqualpromoveumaanáliseSEacombinaçãodasduasentradasfor“x”,ENTÃOasaídaserá“y”.

Com as duas entradas, sería possível realizar 30 “IF-THEN” regras.Entretanto, para manter o sistema Fuzzy mais nebuloso, que é a suacaracterística,aanálisedeumespecialistase faznecessáriapararetirarregrasdesnecessárias, mantendo as necessárias, para que a resposta seja adequadaparatodososcenáriosabordados.

91

AMáquinadeInferênciautilizadanalógicaFuzzypresentenotrabalhofoiaMamdani. Por ser pragmática na forma como implementa a inferência, ametodologia tornou-se a formamais amplamente implementada de inferênciaFuzzyemalgoritmospráticosedepoucanecessidadederesultadosprecisos.

Figura6.18-RegrasdosistemaFuzzy.

Fonte:Autor.

6.4.3-SISTEMAFUZZY:SAÍDA

A saída do sistema Fuzzy intrinsecamente depende de suas variáveis deentrada “IC” e “% mês”. Quando os valores de entrada são alterados, a saídatambémémodificada.Estaécaracterizadapor6curvastriangulares,comopodeser analisado na Figura 6.19, nos quais tem seus pontos de pertinência nosvalores que correspondem a probabilidade de extrapolação do consumoenergético. Esta probabilidade é convertitada em porcentagem para que ousuário possar interpretar de umamelhor forma. No caso da primeira curva(azul escuro), o consumidor não está extrapolando seu consumo. Já na curvavermelha, o consumidor provavelmente, se mantiver com o mesmo perfil deconsumo,iráextrapolarem20%.Asoutrascurvasseguemomesmoprincípio.

92

Combasena saída, o sistemadegerênciado consumopodepermitirqueatomada de decisão seja realizada commaior precisão, verificando o consumointeligente dos dispositivos eletrônicos para que o consumidor possa sernotificadodoestadoatualdoseuconsumodeenergia.

Figura6.19-Saída“ConsumoExcedido”nosistemaFuzzy.

Fonte:Autor.

Alémdisso,osequipamentoscomumamaiorutilizaçãodeenergiapodemserlistadosapartirdosdadosmonitoradosdecadaaparelho,emfacedoconsumoexcessivo mostrado pelo sistema Fuzzy. Isto significa que o utilizador podedecidirquaisoselementosquedevemserdesligadosoureduzirasuautilização,combasenasestratégiasdefinidas,eassimgarantirumaotimizaçãodoconsumodeenergia.

Paraexemplificarosconceitosapresentados,serádemonstradoumexemplode execução do comportamento do sistema de inferência Fuzzy a partir daentradadevalorescapturadospelaarquitura.

Inicialmente, será necessário fornecer os valores de entrada. A figura 6.20ilustraoresultadodavariáveldeentrada“%domês”comvaloriguala28.

93

Figura6.20-Entrada“%domês”nosistemaFuzzy.

Fonte: Autor.

Posteriormente, o sistema também fornece como variável de entrada ovalorparaoíndicedeconsumo,sendoiguala1,7,conformeilustradonaFigura6.21ilustradaaseguir.

Figura6.21-Entrada“Índicedeconsumo”nosistemaFuzzy.

Fonte: Autor.

ApósseremdefinidososvaloresdasentradasdosistemaFuzzy,estesvaloresserão fuzzyficados,ouseja,serãoaplicadosa funçãodepertinênciaaosvalores.EmseguidaaentradafuzzyficadaéaplicadaaoosistemadeinferênciaFuzzy.AFigura6.22ilustraasaídadosistemadeinferênciaFuzzy,comresultadoiguala0,8, configurando alta o nível de impossibilidade de redução do consumo deenergia.

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Figura6.22-SaídanosistemaFuzzy.

Fonte: Autor.

A partir da modelagem do sistema Fuzzy (variáveis de entrada, regras esaída), o teste incorporado na SmartCoM também considerou a utilização deoutroparâmetroapartirdasaídaFuzzy.Oestudoapresentadopor[Andradeetal.,2017]especificaautilizaçãodeparâmetrosdeconfortoe3perfisconcebidoscom o intuito de equilibrar o consumo energético de uma determinadaresidência,maspriorizandooconfortoeoseutempodeutilizaçãopelousuário.Paratanto,énecessáriorealizarocálculodoÍndicedeConforto(CI)paradefiniraestratégiadeotimizaçãodoconsumodeenergia.

Ao estabelecer critérios para uma zona de conforto na relação entreeletrodomésticoseníveisdeconfortohumano,a fórmulado índicedeconforto(IC)foiconcebidacomo:

IC=(HEU/HAH)*DW(5)OndeHEU(horasdeusodoequipamento),HAH(horasemcasa)eDW(dias

dasemana).

Depoisdisso,oaplicativoadotaaseguinteestratégia(perfil):

a) Redução do consumo de energia como ordem de prioridade (Perfil01): o valor do excesso de consumo é subtraído da quantidadeutilizada pelo aparelho em que o consumidor tem menosdependência;

95

b) Reduçãodo consumode energia combase emumaporcentagemdoconsumoexcessivo(Perfil02):aestratégiaéprojetadaparareduziroconsumo de energia sem a necessidade de que qualquer aparelhodomésticosejadesligado,demodoamanteraszonasdeconfortodosusuários. O consumo excessivo de eletricidade será compartilhadoentreosaparelhos,umavezqueénecessáriomanterumsistemadecontroledeenergiainteligente.Estecontroleserácalculadoparacadaaparelhodomésticoeforneceráaosseusocupantesumnovosistemaparacontrolaroconsumodeeletricidade.

c) Taxadereduçãodeenergiadosconsumidorescombasenaescolhadoconsumidor (Perfil 03): o usuário reduz o excesso de energia,manualmente,deeletrodomésticosselecionados.

Para ser realizado o teste da lógica Fuzzy, com adoção dos critériossuprecitados, pela inviabilidade de uma base de dados histórica, optou-se porrealizarumapesquisadecampono intuídodevalidarestasolução.Apesquisacontou com a participação de 108 pessoas, das quais 58.3% foram do sexofemininoe41.7%domasculino.

Comosdadosobtidosnoquestionário,a fórmula ICpoderáseralimentada,sendooresultadodestaosequipamentoseletrônicosreordenadosconformeseugrau de dependência em relação ao usuário, conforme apresentado na Figura6.23.

96

Figura6.23-Médiadosdadosobtidosnoquestionamentocomequipamentosnãoreordenados.

Fonte:Autor.

Foi adotado como consumo padrão para fins de análise o valor de 175,25KWh, o qual corresponde ao somatório do consumo energético de cadaeletrodoméstico.

Adiminuiçãodaquantidadede equipamentospresentesna figura6.15, emrelaçãoàpesquisa realizada,deve-seao fatoqueestes foramosequipamentosque tiveramamaiormoda.Desta forma, o trabalhoutilizouosnoveprimeirosequipamentoscomamaiorrepetitividadenasrespostas.

AoaplicarafórmulaICnosequipamentospresentesnaFigura6.24,tem-se:

Figura6.24-EquipamentosreordenadosbaseadosnafórmulaIC.

97

Fonte:Autor.

Comareordenaçãodoseletrodomésticos,osistemadeconsumointeligentepoderá agir aplicando um dos 3 perfis, conforme a escolha do usuário, paraequilibraroconsumoenergéticoemcasodeeventualextrapolação.

Para o perfil 01, o consumo excedido foi retirado dos equipamentos commenorgraudedependência(osúltimosvaloresnoeixox).Ovalorexcedido,nocaso,foiode24,75KWheestefoiretiradodoconsumofuturo,primeiramente,doarcondicionado,edepois,asequênciamicro-ondas, chuveiroelétricoe tvacabo.Apósaaçãodoperfil01,ovalorexcedido foizeradoeoconsumovoltoupara o padrão pré-estabelecido pelo usuário (175,25KWh), conforme visto naFigura6.25.

Figura6.25-Resultadoapósautilizaçãodoperfil01.

Fonte:Autor.

98

Operfil02,aoseutilizarda fórmulaCEI, retiraproporcionalmentedecadaeletrodoméstico,umdeterminadovaloremKWhdoseuconsumofuturo,oqualébaseado na porcentagem deste equipamento em relação ao consumo total(200KWh),conformesepodeanalisarnaFigura6.26.Essasubtraçãotemcomointenção estabilizar de forma proporcional e menos impactante, o consumoenergético,visandoaoconsumopadrãode175,25KWh.Comatécnicautilizadaneste perfil, o consumidor não necessitará desligar qualquer equipamento,mantendo,portanto,omáximodeconforto.


Fonte:Autor.

Operfil03,comoresultadopresentenaFigura6.27,éoúnicoquepermitequearedistribuiçãodoconsumofuturodoseletrodomésticossejafeitadeformamanual. Sendo assim, o consumo extrapolado, por escolha do usuário, foireduzidodoconsumodomicro-ondas, chuveiroelétrico,ventilador, televisãoeHome-Theater.

A intenção deste perfil é permitir ao usuário a possibilidade de gerenciar,conformeasuavontade,oconsumoenergéticodasuaresidência.Comaescolhadeste perfil, o usuário pode mudar o consumo energético futuro dosequipamentosàsuaescolha.

99


Fonte:Autor.

Como parte fundamental da arquitetura SmartCoM, a aplicação degerenciamentodousuáriotambémfoidesenvolvidaparaassimpermitirotestedasoluçãointeligenteevisualizaçãodosresultados.Avisualizaçãodoconsumoreale futuromostradosnaFigura6.28sedáapartirdocelulardousuário,noqual este poderá ver os possíveis cenários antes da escolha do perfil maisadequado.Desta forma,estepoderáselecionaroperfil e rearranjaroconsumoenergéticodeformamenosimpactanteparaoseuconforto.

Figura6.28–Aplicaçãomóvelparavisualizaçãodosconsumosbaseadosnosperfis.

Fonte:Autor.


100

De acordo comos resultados apresentados, a arquitura SmartCoM atendeude forma adequada aos requisitos para desenvolvimento de soluções demonitoramentoegerenciamentointeligenteparaocenáriodeSmartHome.

Além disso, omiddleware atuou de forma transparente nos softwares degerenciamentoWebemóvel,quandotestadoemdiferentesdispositivosmóveisqueutilizamosistemaoperacionalAndroid.

Todos os testes anteriormente discutidos utilizaram e/ou aperfeiçoaram asolução de hardware, por exemplo, aumento de memória física paraarmazenamentodosdadosprovenientesdasmediçõeseparaexecuçãodalógicaFuzzy.Contudo,independentedaexecuçãodalógicaFuzzy,nãohouvealteraçãodo funcionamento ou gerenciamento dos dispositivos monitorados na rededurantearealizaçãodostestes.

AarquiteturaSmartCoMdemonstraserumanovarespostaparaatenderàsdemandas de interoperabilidade e monitoramento inteligente em ambientesresidenciais,porabordardiversosrequisitosefuncionalidadesnecessáriasparaaadoçãodestetipodesolução.

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CAPÍTULO7–CONCLUSÃO

OobjetivoprincipaldoSmartCoMéencontrarumasoluçãocompletadefimafim para Smart Home, com base em conceitos de desenvolvimento dedispositivos, medição, interoperabilidade, inteligência computacional eaplicativos amigáveis. Ao implementar a arquitetura SmartCoM, foramdesenvolvidos os seguintes procedimentos: uma solução de hardware paramonitoramento e um middleware para fornecer um barramento de serviçosinteroperável e o desenvolvimento de aplicativos amigáveis para omódulo degerenciamento. A arquitetura também leva em consideração característicastecnológicas específicas, tais como: disponibilidade de informações,transparência de serviços, modularidade, alto nível de flexibilidade ereutilização.

AarquiteturaSmartCoMsurgecomoumnovomodelodeinteroperabilidadeparadesenvolvimentodeaplicaçõesemníveldesoftwareehardware,abordandoos principais aspectos que são essenciais para o domínio Smart Home. Suascaracterísticasnãosãoapenasapropriadasparaocontextodemonitoramentoegerenciamento, mas também são capazes de fornecer uma interface para ogerenciamento por meio de sistemas interconectados com o modulo degerenciamento central. No entanto, isso não significa que não se possadesenvolverasprópriassoluçõesparamonitoraregerenciarasresidências.

Otrabalhotambémapresentouummétododetomadadedecisãoaplicandosistema Fuzzy para alertar o usuário sobre o consumo excessivo de energia ereequilibrar o consumo baseado em perfis pré-estabelecidos e comcaracterísticas únicas, no qual visam a reequilibrar o consumo energético daresidência. Cada perfil é apresentado ao usuário, através do aplicativodesenvolvidoparaoSmartCom,comoinuitodesteescolheroperfilquemelhorseencaixacomassuasnecessidades.

Vale ressaltar que os dados gerados obtidos do SmartCoM permitirãoconceber mecanismos eficientes que representem um meio eficaz deimplementarpolíticaspúblicasparareduziroconsumodeenergia.Comopode

102

ser observado, ao empregar o SmartCoM, é possível rastrear o padrão deconsumo de cada cliente residencial conectado. O sistema também podemelhorar o meio ambiente aplicando técnicas eficazes de inteligênciacomputacional para produzir indicadores que possam ajudar a reduzir odesperdíciodeenergiaelétrica.

7.1–CONTRIBUIÇÕESDATESE

A arquitetura SmartCoM oferece uma grande quantidade de contribuiçõespara o ambiente Smart Grids, em particular, para o Smart Home. Algumas dasprincipaiscontribuiçõesestãolistadasabaixo:

• Proposiçãodeumaarquiteturainteroperável,aberta,modular,segurae flexível para desenvolvimento de soluções de monitoramentoresidencial em cenários de Smart Home, a qual proporciona umaforma única de comunicação entre dispositivos e softwaresheterogêneos, garantindo os requisitos básicos demonitoramento egerenciamento inteligente, a partir da possibilidade de utilização demediçãoedetécnicasdeinteligênciacomputacional;

• Desenvolvimentodepadrõesabertosdebaixocustoparadispositivosdemediçãoetransmissão;

• Um módulo inteligente para a classificação e previsão de consumovisandoaoconsumosustentáveldeumaresidênciaeobem-estardomorador,porintermédiodeummétodobaseadoemperfis,apartirdoqualsepriorizaoconfortodousuário,aofazercomqueoremanejodoconsumo energético excedente seja distribuído no consumoenergético futuro, com o mínimo impacto possível na qualidade devidadoconsumidor.

• Uma interface amigável para dispositivos móveis para monitorar econtrolarosdispositivosdousuáriofinal;

• Um sistema de consumo de Planejamento e Gerenciamento para ousuáriofinaleutilitários.

• A flexibilidade da metodologia proposta que a torna capaz deincorporar novos elementos e variáveis aleatórias, de acordo com o

103

objetivo ou estudo de interesse, permitindo a geração de inúmeroscenáriosdesimulação.

Todos esses dispositivos e componentes de software são escaláveis ealtamente interoperáveis. Todos eles são baseados em padrões abertos e umacaracterística chave é seu baixo custo. Esses fatores tornam a arquiteturaSmartCoMadequadaparaexploraçãocomercialemgrandeescala.Alémdisso,aarquiteturafoisubmetidaavalidaçãoemambientesdomundoreale,portanto,éadequadaparausopelasconcessionárias.

Como forma de divulgação do trabalho realizado ao longo dodesenvolvimento desta tese de doutorado, vários artigos em periódicos econferênciasforampublicados/aceitos.Aseguir,alistadosprincipais:

Aceite do trabalho no Journal of Microwaves, Optoelectronics andElectromagnetic Applications (Jmoe): Edvar da L. Oliveira, Rodrigo D. Alfaia,AndersonV. F. Souto,Marcelino S. Silva, CarlosRenatoL. Francês, “SmartCoM:Smart Consumption Management Architecture for Providing a User-FriendlySmart Home based on Metering and Computational Intelligence”, classificaçãoqualisCAPES:B1,2017.

Aaceitaçãodotrabalhoem7conferênciasinternacionais:

• The Third International Symposium on Ubiquitous Networking2017(Unet2017-Casablanca-Marrocos);

• 2017 IEEE International Conference on Computational IntelligenceandVirtualEnvironmentsforMeasurementSystemsandApplications(CIVEMSA2017-Annency-França);

• 3rd International conf on Advanced Intelligent systems andInformatics2017(AISI2017-Cairo-Egito);

• 3rd EAI International Conference on Industrial Networks andIntelligentSystems(INISCOM2017-HoChiMinhCity-Vietinam);

• 6th IEEE International Conference on Computer Application inEletricalEngineering–RecentAdvances(CERA–Roorkee-India);

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• 58th International Scientific Conference on Power and EletricalEngineeringofRigaTechnicalUniversity(RTUCON–Riga-Letônia);

• 9th EAI International Conference onWireless and Satellite Systems(WISATS-Oxford,GreatBritain).

Apublicaçãode trabalhonaconferênciaTheThird InternationalSymposiumon Ubiquitous Networking 2017, Casablanca -Marrocos e tambémno SpringerLectureNotesinComputerScience(LNCS–fator:0.8).

7.2–TRABALHOSFUTUROS

Comopossíveisdesdobramentosdestetrabalho,vislumbram-se:

• Aperfeiçoar a arquitetura SmartCoMparamonitoramento e controledefornecimentodeenergiasrenováveis;

• Agregarnovasfuncionalidadesparacontrolemaisefetivoeindividualdosresidentes;

• Aprimorarasfuncionalidadesdasinterfacesdemediçãopararealizarauto-configuraçãoeinserçãoautomáticanarede;

• A evolução do método de inteligência computacional com aimplentação da técnica Neuro-Fuzzy, visando a um maior e maisabrangente aprendizado dos comportamentos dos integrantes e,assim,obternovosresultadosapartirdecenáriosdistintos.

• Explorar outras técnicas de inteligência computacional que possampreverouextrairpadrõesdeconsumo,demaneiraaproporcionaraosconsumidoresosvaloresótimosdeconsumodeenergia;

• Embarcarnovosmétodosdesensoriamentosetransmissãodedados,commenosintervençãonacasaaserinstaladaoSmartCom;

• Aprofundar os estudos na tecnologia Li-Fi (Light Fidelity), no qual osistema comunicação se dá por meio da luz visível, sendo até 250vezesmaisrápidodoqueopadrãoWi-Fi.

7.3–DIFICULDADESENCONTRADAS

105

O desenvolvimento do trabalho encontrou uma serie de dificuldades queperpassaram desde encontrar uma técnica computacional que suprisse asnecessidadesdaarquituraSmartCom,atéa faltadeartigosquecorroborassemcom uma tomada de decisão energética inteligente baseada no conforto dousuário.

Entre as dificuldades encontradas durante a realização deste trabalho,destacam-se:

• A inexistência de uma base de dados da classe consumidoraresidencialparatestedasaplicaçõesdesenvolvidas;

• Oestudoaprofundadosobreaintegraçãodoresultadoprovenientedasaída da lógica Fuzzy, a fim de criar cenários realísticos e obteranálises confiáveis do comportamento real do sistema inteligente,mesmoapartirdosresultadosdassimulações;

• Limitações dos componentes de hardware para desenvolvimento doprotótipo inicial de teste, ressalta-se que alguns tiveram que serimportados,dilatandootempodeconstruçãodoprotótipo;

• Escassez de maquinário necessário para construção em escala dasplacasdemonitoramento,esteprocessofoirealizadodeformamanualeconsumiubastantetempo;

• Com relação as características da rede da concessionária, não hádocumentação das soluções de softwares ou interfaces decomunicaçãoparaqueaarquiteturaSmartCoMpodessesersujeitaatestesdeconectividade,todoprocessoparatransmissãodosdadosfoirealizadoemlaboratóriosdepesquisa(ambientecontrolado).

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