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Filipe Batista Rodrigues

Desenvolvimento de um Sistema deSupervisão e Gestão para Sistemas deMonitorização de Energia Elétrica

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Outubro de 2014

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau deMestre em Engenharia Eletrónica e de Computadores

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor João Luiz AfonsoProfessor Doutor Adriano José Conceição Tavares

Filipe Batista Rodrigues

Desenvolvimento de um Sistema deSupervisão e Gestão para Sistemas deMonitorização de Energia Elétrica

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica iii

Filipe Batista Rodrigues - Universidade do Minho

Aos meus pais e à minha namorada

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica v


Agradecimentos

O trabalho realizado nesta Dissertação de Mestrado não teria sido possível sem o

apoio do meu orientador Doutor João Luiz Afonso que acompanhou e orientou o meu

trabalho durante este ano. A realização do trabalho aqui apresentado não teria sido

possível sem a disponibilidade de recursos e acesso às ferramentas que permitiram

desenvolver o projeto.

Um agradecimento especial ao meu orientador Doutor Adriano Tavares pelo apoio

e suporte sempre que foi necessário.

Agradeço aos meus colegas que também realizaram a Dissertação de Mestrado no

Laboratório de Eletrónica de Potência pelo companheirismo e amizades proporcionadas.

Um agradecimento aos Bolseiros de Investigação, Engenheiros e Doutores do

GEPE pois despenderam o seu valioso tempo comigo a apoiar-me sempre que necessário.

Um sincero agradecimento a todos os meus colegas e amigos que me

acompanharam ao longo dos últimos anos e que me apoiaram sempre que foi possível.

Por fim, um agradecimento à minha família. Em especial agradeço aos meus pais e

à minha namorada por todo o apoio neste último ano mas sobretudo pelos sacrifícios por

eles suportados.

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica vii


Resumo

A alteração de fatores económicos, tecnológicos e ambientais obriga a sociedade a

adaptar-se às novas situações impostas. O valor da energia tem vindo a subir, e se por um

lado esta subida afeta a situação económica da população, por outro lado, viabiliza o

desenvolvimento de novas tecnologias. No entanto, novas soluções tecnológicas ligadas

à produção de energia continuam, ainda, acima do poder de compra do cidadão comum.

Posto isto, uma vez que a disponibilidade de recursos económicos é limitada, existe a

necessidade de se proceder a gestão de despesas, neste caso, do sector energético

O mercado já possui diversos equipamentos tecnológicos com o intuito de controlar

e gerir os consumos domésticos de energia elétrica. Estes sistemas de monitorização de

energia elétrica possuem características bastante desejáveis. A tecnologia atual permite

que sejam compactos e discretos, o que os torna fáceis de instalar e utilizar. A maioria

destes sistemas, após a sua instalação, é acessível e configurável a partir de um software

instalável num computador pessoal. No entanto, a maior parte dos sistemas presentes no

mercado apresentam algumas limitações. Além disso, em relação ao custo de aquisição

destes sistemas, estes continuam longe do valor que o cidadão comum pode despender.

Alguns desses equipamentos permitem apenas monitorizar o consumo global da

habitação, enquanto outros mais avançados já permitem monitorizar o consumo ao nível

de várias tomadas elétricas.

Esta Dissertação de Mestrado apresenta o desenvolvimento de um sistema de

supervisão e gestão de monitorizadores de energia elétrica. O sistema permite consultar

todas as características relevantes sobre o consumo de energia de vários equipamentos

elétricos a partir de monitorizadores instalados ao nível das tomadas elétricas.

O principal objetivo desta Dissertação consiste em agregar um conjunto desejável

de características num único sistema. Além de realizar todas as operações típicas de

qualquer sistema de monitorização, este sistema colmata alguns dos problemas

anteriormente citados. Este sistema, além de monitorizar os consumos de energia, é capaz

de efetuar controlo de cargas e detetar problemas de qualidade de energia elétrica. A

interface com o utilizador é feita através de um browser. Todo o sistema foi desenvolvido

tendo como foco apresentar um sistema interativo, dinâmico e flexível orientado para o

utilizador final de energia elétrica.

Palavras-Chave: Consumo de Energia Elétrica, FPGA, Monitorizador de Energia

Elétrica, Qualidade de Energia Elétrica, Raspberry Pi.

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica ix


Abstract

The changing in economical, technological and environmental factors forces the

society to adapt to new imposed situations. The cost of energy has been rising, and if on

one hand, this increase affects the economic situation of the population, on the other hand,

it enables the development of new technologies. However, new technological solutions

linked to energy production remain above the average purchasing power of the citizens.

Therefore, since the availability of financial resources is limited, there is a need to carry

out cost management, in this case, in the energy sector

The market already has several technologies in order to monitor and manage energy

consumption of household equipment. These monitoring systems have very desirable

electric characteristics. Moreover, the actual technology allows them to be compact and

discreet which makes them easy to install and use. Most of these systems after installa t ion

are accessible and configurable from an installable software that runs on a personal

computer. However, the majority of the systems on the market have some limitations.

Besides, regarding to the price of these systems, they remain far from the value that the

average citizen can afford. Furthermore, part of those equipments only allow to monitor

the overall consumption of the habitation, while others, more advanced, are able to

monitor the consumption at the level of the wall socket.

This MSc Dissertation presents the development of a system of supervision and

management of power consumption. The system allows consulting all relevant

characteristics of the power consumption of various electrical equipments installed at the

level of the electrical wall sockets.

The main goal of this Dissertation is to aggregate a set of desirable features into a

single system. Besides performing all the typical operations of any monitoring system,

this system overcomes some of the problems mentioned above. This system in addition

to monitoring energy consumption, is capable of perform load analysis and detect power

quality problems. The user interface is made via a browser. The entire system was

developed with a focus in presenting an interactive, dynamic and flexible system oriented

to the final user of electrical energy.

Keywords: Energy Consumption, FPGA, Power Quality Analyzers, Electric Power

Quality, Power Quality Analyzers, Raspberry Pi.

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xi


Índice

Agradecimentos ........................................................................................................................................................... v

Resumo.........................................................................................................................................................................vii

Abstract ........................................................................................................................................................................ix

Lista de Tabelas .......................................................................................................................................................xvii

Lista de Siglas e Acrónimos...................................................................................................................................xix

CAPÍTULO 1 Introdução .........................................................................................................................................1

1.1. Importância dos Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica ....................................................... 1

1.2. Enquadramento ............................................................................................................................................ 3

1.3. Motivações.................................................................................................................................................... 4

1.4. Objetivos ....................................................................................................................................................... 4

1.5. Organização da Dissertação....................................................................................................................... 5

CAPÍTULO 2 Sistemas de Supervisão e Gestão de Energia Elétrica...........................................................7

2.1. Introdução ..................................................................................................................................................... 7

2.2. Soluções no Mercado.................................................................................................................................. 8

2.2.3. Cloogy.................................................................................................................................................. 10

2.2.4. G Smart ................................................................................................................................................ 11

2.2.5. EnergySTEP@Work ............................................................................................................................ 13

2.2.6. Open Energy Monitor .......................................................................................................................... 15

2.2.7. Fluke 430 Série II ................................................................................................................................ 18

2.3. Monitorizadores Desenvolvidos na Universidade do Minho............................................................. 20

2.3.1. Sistema Distribuído de Monitorização de Consumos e Qualidade de Energia Elétrica ...................... 20

CAPÍTULO 3 Projeto do Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de

Energia Elétrica........................................................................................................................................................ 29

3.1. Introdução ................................................................................................................................................... 29

3.2. Qualidade de Energ ia Elétrica ................................................................................................................. 30

3.3. Monitorizador baseado no IC ADE7753 ............................................................................................... 32

3.4. Monitorizador Baseado no Sistema Distribuído de Monitorização de Consumos de Energia

Elétrica ...................................................................................................................................................................... 34

3.5. Requisitos do Sistema ............................................................................................................................... 36

3.6. Arquitetura Proposta ................................................................................................................................. 38

3.7. FPGA ........................................................................................................................................................... 39

3.8. Raspberry Pi ............................................................................................................................................... 42

3.9. Conclusão.................................................................................................................................................... 44

CAPÍTULO 4 Simulações e Ensaios do Sistema Desenvolvido ................................................................... 45

4.1. Introdução ................................................................................................................................................... 45

4.2. Ferramentas de Desenvolvimento e Linguagens de Programação .................................................... 45

xii Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica


4.2.1. ISE Design Suite e Linguagem Verilog ............................................................................................... 45

4.2.2. NetBeans IDE e Linguagem C++ ........................................................................................................ 47

4.2.3. Joomla! e Linguagens HTML e PHP .................................................................................................. 47

4.3. Simulações na FPGA ................................................................................................................................ 49

4.3.1. Simulação do Funcionamento do Monitorizador 1 ............................................................................. 50

4.3.2. Simulação do Funcionamento do Monitorizador 2 ............................................................................. 53

4.3.3. Simulação da Comunicação entre a Raspberry Pi e a FPGA .............................................................. 56

4.4. Teste dos Softwares Usados na Raspberry Pi....................................................................................... 58

4.4.1. Servidor Web ....................................................................................................................................... 58

4.4.2. Base de Dados MySQL e phpMyAdmin ............................................................................................... 60

4.4.3. Programa de Supervisão e Gestão em C++ ......................................................................................... 61

4.5. Conclusão.................................................................................................................................................... 62

CAPÍTULO 5 Implementação do Sistema para Configuração de Condições Reais de Utilização .... 63

5.1. Introdução ................................................................................................................................................... 63

5.2. Programa de Supervisão e Gestão Desenvolvido em C++ ................................................................. 63

5.3. Constituição Física do Sistema ............................................................................................................... 66

5.4. Descrição da Interface Gráfica do Sistema ........................................................................................... 67

5.4.1. Interface Aplicada à Configuração dos Monitorizadores .................................................................... 68

5.5. Conclusão.................................................................................................................................................... 75

CAPÍTULO 6 Testes do Sistema em Condições Reais de Utilização em Modelo de Rede

desenvolvido em Laboratório ............................................................................................................................... 77

6.1. Introdução ................................................................................................................................................... 77

6.2. Testes da Comunicação entre a FPGA e os Monitorizadores e com a Raspberry Pi ..................... 77

6.2.1. Teste da Comunicação entre a FPGA e o Monitorizador 1 ................................................................. 77

6.2.2. Teste da Comunicação entre a FPGA e o Monitorizador 2 ................................................................. 79

6.2.3. Teste da Comunicação entre a FPGA e a Raspberry Pi....................................................................... 80

6.3. Testes Utilizando o Monitorizador 1...................................................................................................... 80

6.3.1. Simulação de um Sag ........................................................................................................................... 80

6.3.2. Simulação de uma Interrupção Momentânea ...................................................................................... 82

6.4. Testes Utilizando o Monitorizador 2...................................................................................................... 83

6.4.1. Simulação de uma Subtensão e Swell .................................................................................................. 83

6.4.2. Simulação de Sag Seguido de Interrupção do Fornecimento de Energia ............................................ 84

6.5. Resultados Obtidos da Monitorização de Equipamentos ................................................................... 85

6.5.1. Monitorização do Consumo Energético de um Computador Portátil.................................................. 86

6.5.2. Monitorização do Consumo Energético de um Frigorífico Mini Bar.................................................. 87

6.5.3. Monitorização do consumo energético de um Termo Ventilador ....................................................... 89

6.6. Conclusão.................................................................................................................................................... 91

CAPÍTULO 7 Conclusão ....................................................................................................................................... 93

7.1. Conclusões.................................................................................................................................................. 93

7.2. Sugestões para Trabalho Futuro.............................................................................................................. 96

Referências ................................................................................................................................................................. 97

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xiii


Lista de Figuras

Figura 2.1– Aspeto do Fluksometer e respetiva pinça de corrente [17]. ............................................................. 9

Figura 2.2 – Plataformas de consulta de dados e aparelho de medição do sistema OWL Intuition-e

[19]. ........................................................................................................................................................................ 9

Figura 2.3 – Arquitetura do sistema Cloogy [22]. ................................................................................................. 11

Figura 2.4 – (a) Tomada inteligente Cloogy. (b) Sensor e transmissor Cloogy [22]. ...................................... 11

Figura 2.5 – Aplicações avançadas para smart grids [23]. .................................................................................. 13

Figura 2.6 – Controlador inteligente G Smart [23]. .............................................................................................. 13

Figura 2.7 – Visualização de um excerto do software StructureWare [24]. ..................................................... 14

Figura 2.8 – Extensão PX-5528 Raritan [26]......................................................................................................... 15

Figura 2.9 – Arquitetura do sistema Open Energy Monitor [27]........................................................................ 16

Figura 2.10 – Aspeto visual do módulo emonGLCD [27]. .................................................................................. 17

Figura 2.11 – Plataformas de consulta dos dados emoncms [27]. ...................................................................... 17

Figura 2.12 – Analisador de Qualidade de Potência Fluke 435 Série II [28]. .................................................. 19

Figura 2.13 – Possível arquitetura do sistema distribuído [29]. .......................................................................... 20

Figura 2.14 – Arquitetura do nó sensor [29]. ......................................................................................................... 21

Figura 2.15 – Aspeto do menu de comunicação [29]. .......................................................................................... 22

Figura 2.16 – Aspeto dos elementos que constituem o monitorizador desenvolvido. .................................... 23

Figura 2.17 – Software Qt do MQEE. ..................................................................................................................... 25

Figura 2.18 – Representação de uma forma de onda. ........................................................................................... 26

Figura 2.19 – Visualização dos dados em tabela. .................................................................................................. 26

Figura 3.1 – Diagrama de blocos do ADE7753 [30]. ............................................................................................ 33

Figura 3.2 – Vista de topo da PCB do monitorizador. .......................................................................................... 33

Figura 3.3 – Circu ito sugerido pelo datasheet do IC ADE7753 [30]. ................................................................ 34

Figura 3.4 – Vista de topo, lateral e base do monitorizador. ............................................................................... 35

Figura 3.5 – Vista do interio r da caixa do monitorizador. ................................................................................... 36

Figura 3.6 – Esquema representativo da comunicação entre o monitorizador e o recetor. ............................ 36

Figura 3.7 – Possível arquitetura do sistema de supervisão e gestão de energia elétrica. .............................. 39

Figura 3.8 – Aspeto da Basys 2 [39]........................................................................................................................ 40

Figura 3.9 – Características da Basys2 [39]. .......................................................................................................... 40

Figura 3.10 – Possível organização dos módulos da FPGA. ............................................................................... 41

Figura 3.11 – Esquema da comunicação entre a FPGA e diferentes monitorizadores. .................................. 42

Figura 3.12 – Relação entre os softwares executados na Raspberry Pi e com o exterior. .............................. 43

Figura 4.1 – Aspeto visual do ISE Design Suite [44]............................................................................................ 46

Figura 4.2 – Representação de cross compiling..................................................................................................... 47

Figura 4.3 – Arquitetura desenvolvida para a FPGA............................................................................................ 49

Figura 4.4 – Representação algoritmica do funcionamento do monitorizador 1. ............................................ 50

Figura 4.5 – Simulação do arranque do monitorizador 1. .................................................................................... 51

xiv Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica


Figura 4.6 – Simulação dos pedidos dos parâmetros da rede. ............................................................................. 52

Figura 4.7 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 1. ....................................................................... 52

Figura 4.8 – Representação algoritmica do funcionamento do monitorizador 2. ............................................ 53

Figura 4.9 – Simulação do arranque do monitorizador 2. .................................................................................... 54

Figura 4.10 – Simulação do acesso aos registos do monitorizador 2. ................................................................ 55

Figura 4.11 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 2. ..................................................................... 55

Figura 4.12 – Simulação de um pedido de leitura a um registo. ......................................................................... 57

Figura 4.13 – Simulação de uma resposta após o pedido de leitura. .................................................................. 58

Figura 4.14 – Exerto da página de informações sobre o servidor....................................................................... 59

Figura 4.15 – Aspeto visual do modo de edição de conteudos do Joomla!. ..................................................... 60

Figura 4.16 – Captura de ecrã com a ap licação web a correr no browser do smatphone. .............................. 60

Figura 4.17 – Home page da interface da aplicação phpMyAdmin. ................................................................... 61

Figura 5.1 – A lgoritmo representativo do funcionamento do programa em C++. ........................................... 65

Figura 5.2 – Excerto do terminal da Raspberry Pi durante a fase de testes. ..................................................... 66

Figura 5.3 – Vista do elementos do sistema de supervisão e gestão de energia eletrica. ............................... 67

Figura 5.4 – Aspeto da página principal da aplicação web. ................................................................................. 68

Figura 5.5 – Apresentação das funcionalidades do monitorizador 1. ................................................................ 69

Figura 5.6 – Página de configuração dos parâmetros da monitorização. .......................................................... 70

Figura 5.7 – Página de resultados, com opções usadas para analisar os resultados. ....................................... 71

Figura 5.8 – Montagem gráfica da página de resultados, com aspeto dos gráficos interativos para

diferentes opções de visualização e escala. ................................................................................................... 72

Figura 5.9 – Página de resultados, com relatório com pormenores da monitorização. ................................... 73

Figura 5.10 – Exemplo do aspeto da página da plataforma phpMyAdmin. ....................................................... 74

Figura 5.11 – Pág ina de resultados relativa ao monitorizador 2. ........................................................................ 75


Figura 6.2 – Pormenor da leitura do valor de tensão do monitorizador 1. ........................................................ 78


Figura 6.4 – Pormenor do momento em que se inicia a comunicação. .............................................................. 79

Figura 6.5 – Visão geral de um pedido da Raspberry Pi seguido de resposta. ................................................. 80

Figura 6.6 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de frequência, registados ao longo do

tempo, com a ocorrência de um sag detetado pelo monitorizador 1. ........................................................ 81

Figura 6.7 – Tabelas de resultados relativa ao sag detetado pelo monitorizador 1. ........................................ 81

Figura 6.8 – Gráfico com valor eficaz de tensão, com valor de frequência, registados ao longo do

tempo, com a ocorrência de uma interrupção detetada pelo monitorizador 1. ........................................ 82

Figura 6.9 – Tabelas de resultados relativa à interrupção detetada pelo monitorizador 1. ............................. 82

Figura 6.10 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo

do tempo, com a ocorrência de uma subtensão seguida de swell detetados pelo

monitorizador 2. ................................................................................................................................................. 83

Figura 6.11 – Tabelas de resultados relativa à subtensão e swell detetados pelo monitorizador 2. .............. 84

Figura 6.12 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo

do tempo, com a ocorrência de um sag seguido de uma interrupção detetados pelo

monitorizador 2. ................................................................................................................................................. 85

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xv


Figura 6.13 – Tabelas de resultados relativos à interrupção detetada pelo monitorizador 2. ........................ 85

Figura 6.14 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência, registado ao longo do

tempo, correspondente à monitorização de um computador portátil. ....................................................... 86

Figura 6.15 – Tabela de resultados relativa à monitorização do computador portátil. ................................... 87

Figura 6.16 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência e potência ativa,

registados ao longo do tempo, correspondente à monitorização de um frigorifico mini bar. ............... 88

Figura 6.17 – Tabela de resultados relativa à monitorização de um frigorifico mini bar. .............................. 88

Figura 6.18 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência ativa, registados ao

longo do tempo, correspondente ao consumo de potência pelo termo ventilador nos diferentes

estágios de funcionamento. .............................................................................................................................. 89

Figura 6.19 – Gráfico com valor eficaz de corrente, e com valor de fator de potência, registado ao

longo do tempo, correspondente à análise da corrente consumida e variação do FP nos

diferentes estágios de funcionamento do termo ventilador......................................................................... 90

Figura 6.20 – Tabela de resultados relativa à monitorização de um termo ventilador. ................................... 91

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xvii


Lista de Tabelas

Tabela 3.1 – Principais problemas de QEE [29]. ................................................................................................... 31

Tabela 4.1 – Protocolo utilizado para comunicar entre a Raspberry Pi e a FPGA. ......................................... 56

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica xix


Lista de Siglas e Acrónimos

AT Alta Tensão

ADC Analog to Digital Converter

API Application Programming Interface

BT Baixa Tensão

CPU Central Processing Unit

CMS Content Management System

DSP Digital Signal Processor

FFT Fast Fourier Transform

FP Fator de Potência

FPGA Field Programmable Gate Array

GPIO General Purpose Input/Output

GEPE Grupo de Eletrónica de Potência e Energia

HDL Hardware Description Language

HDMI High Definition Multimedia Interface

HTML HyperText Markup Language

HTTP Hypertext Transfer Protocol

HTTPS Hypertext Transfer Protocol Secure

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IC Integrated Circuit

IDE Integrated Development Environment

I2C Inter-Integrated Circuit

IoT Internet of Things

IP Internet Protocol

xx Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica


ISim ISE Simulator

JTAG Joint Test Action Group

MISO Master In Slave Out

MOSI Master Out Slave In

MT Média Tensão

MQEE Monitorizador de Qualidade de Energia Elétrica

PC Personal Computer

PT Posto de Transformação

QEE Qualidade de Energia Elétrica

RF Radio Frequency

RAM Random Access Memory

RxD Receber

SCLK Serial Clock

SPI Serial Peripheral Interface

SSEL Slave Select

SOC System-on-a-chip

TI Tecnologia de Informação

THD Total Harmonic Distortion

TxD Transmitir

USB Universal Serial Bus

UART Universal Synchronous Receiver/Transmitter

Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica 1


CAPÍTULO 1

Introdução

1.1. Importância dos Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica

Nas últimas décadas, diversos fatores como o crescente aumento populacional e o

desenvolvimento económico de países emergentes resultaram no aumento global do

consumo da energia elétrica [1]. Este aumento do consumo, por si só, exige novas

infraestrutura na rede elétrica ou reforço das mesmas, isto sem contar todos os efeitos

nefastos ao meio ambiente [2]. Por sua vez, como medida preventiva, governos e outras

entidades não-governamentais têm-se esforçado para promover o uso de equipamentos

mais eficientes [3]. Embora, à primeira vista, este movimento seja visto como um

movimento nobre, alguns equipamentos ditos eficientes e de baixo consumo têm

consequências negativas para a rede elétrica [4].

Os equipamentos antigos e energeticamente não eficientes são essencialmente

compostos por cargas lineares. Este tipo de cargas, embora consuma mais, não afeta a

qualidade da energia elétrica. Enquanto as novas cargas, ditas eficientes são classificadas

como não lineares, pois não apresentam uma relação linear entre o consumo de tensão e

corrente e que em certos casos podem causar problemas [5]. Usando o exemplo das

lâmpadas económicas, que podem chegar a consumir 90% menos de energia do que uma

lâmpada incandescente, contundo, estas podem diminuir a qualidade da energia elétrica

e aumentam a distorção harmónica. As consequências da presença destas cargas na rede

traduzem-se no aumento das perdas nas linhas e obriga ao uso de equipamentos

sobredimensionados na distribuição [6].

Uma vez que não se pode impedir os países de se desenvolverem, a tendência será

o aumento global do consumo de energia elétrica. Por outro lado, os países ditos

desenvolvidos até têm apresentado uma diminuição no consumo através do uso de

equipamentos mais eficientes mas com as consequências acima referidas [7].

Para superar as dificuldades em manter o sistema elétrico a operar eficientemente,

este terá de ser ajustado às novas necessidades. O modelo de distribuição e consumo de

energia elétrica não sofreu alterações significativas desde a sua criação,

consequentemente, está a atingir as suas limitações tecnológicas. No entanto,

2 Desenvolvimento Sistema de Supervisão e Gestão para Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica


gradualmente, está a ser desenvolvido e adotado um novo modelo. Este é conhecido como

smart grid, é uma tecnologia que visa aumentar a eficiência, fiabilidade e segurança em

todos os setores da energia elétrica [8].

Neste novo paradigma, a produção da energia deixa de ser exclusiva aos

fornecedores e passa, também, a ser uma opção para os consumidores. Esta característica

bidirecional na distribuição da energia elétrica tem uma série de consequências. Se, por

um lado, permite responder com flexibilidade a situações de alterações de consumo, por

outro lado, necessita de coletar enormes quantidades de informação sobre os diversos

elementos que constituem a rede. Será inevitável a união entre o sistema elétrico e os

sistemas de informação. Espera-se que, num futuro próximo, a rede elétrica seja uma área

dominada por amplos sistemas de aquisição de dados e comunicação [9]. Portanto,

considerando que existe uma solução inteligente, fiável e segura para gerir o consumo e

a produção de energia, será de esperar que este conceito se alastre às áreas residenciais.

As áreas residenciais, até há pouco tempo, possuíam apenas um fornecedor de

energia, considerando o exemplo de Portugal. No ano de 2012 o mercado da eletricidade

foi liberalizado, os consumidores, desde então, têm uma atitude mais ativa em relação ao

seu fornecedor de energia elétrica [10].

Qualquer individuo deve poder avaliar o serviço que subscreveu. Os

monitorizadores de energia elétrica surgem no mercado de forma a colmatar essa

necessidade. Estes devem, também, ser vistos como uma extensão da própria smart grid

mas aplicados à área residencial. Do mesmo modo que a smart grid gere a produção e

consumo de energia, os monitorizadores devem permitir aos consumidores analisar os

seus próprios consumos ou, até mesmo, a produção de energia [11].

Um monitorizador de energia elétrica deve possuir características atrativas que

justifiquem a sua aquisição. Começando pelas suas funcionalidades, estes devem ser

capazes de analisar de forma fiável o consumo de uma habitação, equipamento ou

conjunto de equipamentos. Um consumidor com o conhecimento dos seus hábitos de

consumo energético tem a possibilidade de se tornar num individuo mais consciente.

Utilizando os dados obtidos através de monitorizadores de energia elétrica, é

possível tomar atitudes com o intuito de diminuir os custos associados ao consumo de

energia, bem como aumentar a eficiência no consumo, e beneficiar de informação sobre

a qualidade da energia elétrica [12].

Para estimular os consumidores de energia elétrica a adquirirem monitorizadores

de energia elétrica estes devem ser compactos e práticos de usar. Idealmente, se existisse



um monitorizador compacto por cada tomada e interruptor de uma habitação, seria

possível analisar ao pormenor o consumo e comportamento de cada um dos

eletrodomésticos [11].

Não menos importante que as suas características técnicas, os monitorizadores

devem possuir interfaces amigáveis de modo a adequarem-se à maioria dos utilizadores.

Os dados adquiridos devem ser apresentados de forma clara, e, se possível, com

funcionalidades uteis para, por exemplo, comparar resultados antigos ou analisar a

evolução do consumo de energia ao longo de um determinado período de tempo .

Essencialmente os monitorizadores são o instrumento que torna possível gerir e

supervisionar consumos de energia elétrica [13]. Tal como acontece numa smart grid, são

necessários inúmeros pontos de recolha de dados para que depois um sistema os interprete

e atue em conformidade.

Por fim, a disseminação do uso de sistemas de gestão e supervisão de consumos de

energia só é possível se o custo de aquisição destes sistemas se traduzir em retorno

positivo do investimento. Por isso, é importante que o mercado reconheça a necessidade

destes sistemas. Um sistema de gestão e supervisão é uma ferramenta primordial, assim

sendo, é necessário desenvolver equipamento especializado. O custo da solução embora

seja importante pode ser significamente diminuído quando o produto é produzido em

massa.

1.2. Enquadramento

A sociedade atual desenvolveu uma forte dependência por equipamentos

tecnológicos. Os equipamentos mais procurados, por norma, permitem ser conectados à

internet e são vistos como equipamentos inteligentes. Esta tendência na procura destes

equipamentos inteligentes abriu caminho para o aparecimento do movimento da Internet

of Things (IoT).

O movimento da IoT é abrangente e consegue envolver virtualmente qualquer setor

do mercado. No âmbito de estudo desta Dissertação de Mestrado, é estudado o mercado

doméstico de equipamentos de monitorização. As caraterísticas desejáveis para estes

equipamentos, os monitorizadores de energia elétrica, devem antever as necessidades do

cliente. Um equipamento de monitorização deve ser fácil de utilizar, compacto e, se

possível, com um aspeto apelativo. Felizmente, o estado da tecnologia dos dias de hoje

permite superar as exigências do mercado.



Esta Dissertação descreve o desenvolvimento de um sistema de supervisão e gestão

para monitorizadores de energia elétrica. O Grupo de Eletrónica de Potência e Energia

(GEPE) da Universidade do Minho tem vindo a desenvolver diversos sistemas de

monitorização ao longo da sua existência. O objetivo primordial desta Dissertação

consiste em associar os sistemas de monitorização previamente criados no GEPE a uma

plataforma web. A partir da web, remotamente, os utilizadores poderão com este sistema

acompanhar e interagir em tempo real com os seus equipamentos sob monitorização.

Através da plataforma poderá ser consultado o consumo dos equipamentos sob

monitorização. O sistema também permitirá analisar parâmetros relativos à qualidade de

energia elétrica, e poderá possuir eventuais aplicações úteis para o utilizador.

1.3. Motivações

As principais motivações para este trabalho de Dissertação são:

Possibilidade de desenvolver um trabalho cujo tema se encontra inserido nas

áreas de Sistemas de Energias e Sistemas Embebidos;

Aumento do know-how sobre o desenvolvimento de sistemas para FPGAs;

Aumento do knwo-how sobre o desenvolvimento de software para Linux;

Possibilidade de adquirir novos conhecimentos na área de programação web;

Possibilidade de desenvolver novas soluções na área da eficiência energética e

o consumo sustentável de energia elétrica.

1.4. Objetivos

Os principais objetivos desta Dissertação são os seguintes:

Projetar e desenvolver um dispositivo de Supervisão e Gestão para Sistemas de

Monitorização de Energia Elétrica que permita a integração de monitorizado res

pré-existentes, e que seja acessível remotamente;

Estudar o estado atual dos sistemas de monitorização de energia elétrica;

Selecionar as plataformas de desenvolvimento necessárias para o sistema;

Desenvolver o software necessário para o sistema de aquisição de dados;

Desenvolver o software necessário para a interface com o utilizador;

Desenvolver as condições para o teste em laboratório para o sistema

desenvolvido;

Realizar testes ao sistema desenvolvido e verificar o seu funcionamento.



1.5. Organização da Dissertação

Os tópicos abordados ao longo desta Dissertação de Mestrado estão organizados

em sete capítulos. O conteúdo de cada um dos capítulos é descrito de seguida.

No Capítulo 1 são introduzidos os conteúdos abordados no trabalho de Dissertação,

bem como os objetivos e motivações do trabalho proposto.

No Capítulo 2 é feito um levantamento do estado da arte de sistemas de

monitorização existentes no mercado, e são, também, apresentados dois monitorizadores

desenvolvidos no GEPE.

No Capítulo 3 é introduzido o conceito de qualidade de energia elétrica (QEE), são

apresentados os monitorizadores utilizados no sistema e, por fim, é apresentada a

arquitetura do sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de energia elétrica.

No Capítulo 4 são apresentadas as ferramentas e linguagens de programação

necessárias para o desenvolvimento do trabalho de Dissertação. De seguida, são

apresentadas simulações dos módulos executados pela FPGA que permitem a aquisição

dos dados vindos dos monitorizadores. Por fim, são testados os softwares instalados na

Raspberry Pi necessários para o funcionamento do sistema.

No Capítulo 5 descreve-se o sistema como um todo. Este inicia com a apresentação

física do sistema, destacando os componentes usados, e termina com a apresentação do

ambiente gráfico.

No Capítulo 6 são expostos resultados obtidos a partir do sistema desenvolvido.

São essencialmente apresentados dois conjuntos de resultados diferentes, resultados

contendo eventos de QEE e resultados de monitorização de equipamentos elétricos

variados.

No Capítulo 7 são apresentadas as conclusões resultantes do trabalho desenvolvido.

No final, são apresentadas sugestões para trabalhos futuros que possam complementar o

trabalho.



CAPÍTULO 2

Sistemas de Supervisão e Gestão de Energia Elétrica

2.1. Introdução

Atualmente, o setor dos edifícios (residencial e serviços) é responsável pela

utilização de cerca de 30% do total de energia consumida em Portugal [14]. Uma das

causas encontra-se na evolução das exigências de conforto das famílias portuguesas, que

se traduz numa maior procura de eletrodomésticos. Este aumento do consumo de energia

pode ser moderado informando e sensibilizando os consumidores domésticos para os seus

perfis de consumo. O conhecimento do perfil de consumo de cada eletrodoméstico

permite ao consumidor conhecer os seus equipamentos e tomar decisões conscientes

relativamente ao futuro dos mesmos. Sempre que é detetado um equipamento

energeticamente pouco eficiente ou defeituoso podem ser tomadas decisões que permitam

ao consumidor reduzir o valor da fatura de energia elétrica mas também diminuir a pegada

ecológica. Uma das possíveis soluções para equipamentos pouco eficientes e,

naturalmente, pouco económicos passa pela sua troca ou abate. Apesar de ser necessário

um investimento inicial considerável, o retorno do investimento pode, dependendo do

caso, ser reavido em poucos ano.

O valor da fatura da energia elétrica é um dos fatores que diretamente mais

influencia o consumidor a mudar de atitude em relação à forma como usa a energia

elétrica. Uma vez que a tendência atual é de aumento de preços em vários setores do

mercado, incluindo o da energia, têm surgido novas entidades cujo objetivo é difund ir

informações ou soluções para melhorar a eficiência do consumo de energia. Se por um

lado campanhas de sensibilização alertam a população sobre o desperdício de energia,

por outro, aparecem novas empresas com soluções direcionadas para gerir, controlar e

otimizar o consumo e difundir novos hábitos energéticos [15].

No mercado existem várias soluções orientadas para a monitorização de consumos

de energia. Os monitorizadores que podem ser encontrados no mercado têm diversos

graus de complexidade, vão desde simples ferramentas de cálculo até sistemas muito

complexos e repletos de aplicações extra.



Os problemas de qualidade de energia elétrica (QEE) são também um fator a

considerar no momento da aquisição de um monitorizador. Existem equipamentos

residenciais e industriais que podem ser mais ou menos sensíveis à qualidade da energia.

A má qualidade da energia deve-se, por norma, a eventos que ocorrem na rede. Eventos

como por exemplo os sags (subtensões momentânea da tensão), ou swells (sobretensão

momentânea da tensão), resultantes da entrada ou saída de grandes cargas na rede, e

distorção harmónica devido à presença de cargas não lineares. Além dos já referidos,

existe, ainda, uma série de outros eventos, como por exemplo os harmónicos, micro-

cortes (notching), flickers,etc.

Os problemas associados à má qualidade da energia são um dos fatores geradores

de avarias em equipamentos, logo, estes devem ser detetados e posteriormente estudados

de forma a corrigir a anomalia que os provoca.

Recorrendo a monitorizadores de QEE é possível identificar a fonte dos problemas

na rede e, por sua vez, tomar as respetivas medidas no sentido de os prevenir, atenuar ou

eliminar [16].

2.2. Soluções no Mercado

Neste item serão referidas algumas soluções e equipamentos disponíveis no

mercado cujo propósito é informar o consumidor sobre os consumos elétricos e sobre

eventuais problemas de qualidade de energia elétrica. Serão, também, apresentados

equipamentos com a capacidade de atuar sobre as cargas, ligando ou desligando-as,

conforme as necessidades do consumidor ou agindo preventivamente em caso de

anomalias no sistema elétrico.

2.2.1. Fluksometer

O Fluksometer V2 é um dispositivo da empresa belga Flukso que permite a

monitorização do consumo total de energia elétrica de uma residência. Este dispositivo

deve ser instalado junto do quadro elétrico. Caso exista uma rede sem fios disponível na

residência onde foi instalado, o Fluksometer fica conectado à mesma e envia as suas

medições em intervalos de 5 minutos. Os dados adquiridos são guardados numa base de

dados disponível no servidor da Flukso e podem ser consultados via internet. Na

Figura 2.1 é possível observar o aspeto deste dispositivo junto com a pinça de

corrente [17]. O valor comercial deste equipamento é de 96,80€ [18].



Figura 2.1– Aspeto do Fluksometer e respetiva pinça de corrente [17].

2.2.2. Sistema OWL Intuition-e

O OWL Intuition-e é um sistema de monitorização da empresa britânica OWL. Este

efetua o registo de consumo de energia elétrica de uma residência e guarda, de forma

automática, os valores adquiridos num servidor dedicado. Para o correto funcionamento

deste sistema é necessário existir ligação à internet na habitação onde este é instala do.

Este sistema tem como grande vantagem o acesso aos valores guardados, isto é, a

possibilidade de visualização destes valores ou até mesmo de gráficos ilustrat ivos

relativos às variações de consumo ao longo do dia. Para visualizar os registos pode ser

utilizado um computador ou até mesmo um smartphone ou tablet, o que torna o sistema

bastante prático. As diferentes interfaces de acesso aos dados estão representadas na

Figura 2.2.

As características mais significativas desde sistema são a taxa de amostragem dos

valores relativos à energia consumida, que é de 12 em 12 segundos, e o alcance do

transmissor que é de aproximadamente 30 metros. Embora o transmissor seja alimentado

a pilhas, este tem autonomia de aproximadamente 14 meses [19]. O preço deste

equipamento é de aproximadamente 76,00€ [20].

Figura 2.2 – Plataformas de consulta de dados e aparelho de medição do sistema OWL Intuition-e [19].



2.2.3. Cloogy

O Cloogy® Home, da empresa portuguesa Cloogy®, é uma solução de gestão

energética para residências. Este sistema é constituído por diversos sensores e

equipamentos estrategicamente colocados na residência para informar o utilizador sobre

o consumo doméstico. Além de dispositivos de recolha de dados, o Cloogy possui

tomadas inteligentes que podem ser usadas para controlar eletrodomésticos, isto é,

permitem ligar e desligar equipamentos remotamente. Os dados obtidos pelos sensores

podem ser consultados em diversas plataformas, nomeadamente no Monitor Cloogy,

como é exemplificado na Figura 2.3. Estes são, também, acessíveis através de

computadores, smartphones ou tablets. Os equipamentos que constituem o Cloogy têm

um design agradável e moderno, esta característica, associada às suas funcionalidades,

faz com que esta seja uma solução de gestão energética bastante desejável.

Esta empresa possui, também, outras soluções direcionadas para a gestão de

consumos. Como pacotes Cloogy Premium, para os utilizadores com necessidades mais

exigentes de controlo e monitorização, e pacotes Cloogy Renewables, para quem possui

sistemas de microgeração e pretende monitorizar a energia produzida em tempo real e à

distância. O valor do pacote mais simples, o Cloogy Go, tem o preço de 199,00€ [21].

O funcionamento do sistema Cloogy é facilmente entendido analisando a

Figura 2.3. Um pequeno sensor é instalado no quadro elétrico e recolhe informação sobre

o consumo global da habitação. Por sua vez, as tomadas inteligentes também recolhem

informação sobres os equipamentos ligados a estas. Os dados obtidos no quadro elétrico

e pelas tomadas inteligentes são enviados para um concentrador. Este, por sua vez,

reencaminha os dados para uma plataforma web, sendo assim possível ao consumidor

aceder a esses mesmos dados.

As tomadas inteligentes, Figura 2.4 (a), permitem ser controladas remotamente, ou

seja, é possível controlar o estado dos equipamentos bem como programar modos de

funcionamento.



Figura 2.3 – Arquitetura do sistema Cloogy [22].

A comunicação entre as tomadas inteligentes, Figura 2.4 (a), os sensores,

Figura 2.4 (b), e o concentrador, é efetuada através de rede sem fios ZigBee. Por sua vez,

o acesso aos registos é efetuado através da rede sem fios wireless recorrendo aos

equipamentos de uso pessoal supracitados [22].

Figura 2.4 – (a) Tomada inteligente Cloogy. (b) Sensor e transmissor Cloogy [22].

2.2.4. G Smart

O G Smart é um controlador inteligente ou concentrador de contadores

desenvolvido pela empresa EFACEC, uma empresa Portuguesa [23]. Segundo a empresa,

este é um produto inovador cujo propósito é ser usado em redes de distribuição onde pode

controlar e monitorizar a rede de média tensão (MT) e baixa tensão (BT). O produto é

orientado para soluções de automação avançadas de postos de transformação e automação

do circuito de MT. O G Smart é perfeitamente capaz de ser integrado em aplicações

relativas à gestão de consumos, por exemplo numa Smart Grid.



O G Smart tem a capacidade de recolher e gerir contagens de troços a jusante da

rede de BT por meio de várias das suas interfaces de comunicação padrão. Por outro lado,

quando este é usado no sector das smart grids, intervém tanto na rede de alta como de

média tensão. Os campos em que este é aplicado são os da gestão de procura, de

carregamento de veículos elétricos, de controlo de microgeração e de iluminação pública.

As características físicas que dão suporte ao funcionamento do G Smart são o seu

servidor web embebido, as diferentes interfaces de entrada e saída para comunicação com

outros equipamentos, os slots de expansão para módulos personalizados e, por fim, a

capacidade de armazenamento de dados localmente. O gestor da rede tem a possibilidade

de adicionar novas funcionalidades de software ou de harware usando os slots de

expansão. Uma vez que o G Smart tem a capacidade de ser programado com um conjunto

de APIs de software, é possível moldar as suas funcionalidades em função dos projetos

ao qual este se destina.

Por exemplo, é possível programar o G Smart para funcionar como monitorizador

de QEE. Ao ser adicionado um módulo de QEE, este pode registar os parâmetros e

anomalias na rede. Podem ser definidos alertas sempre que este deteta uma anomalia ou

problema de QEE. Os eventos de QEE que este é sensível são variações de frequência,

variações de tensão, flickers, THD, conteúdo harmónico e desequilíbrios na tensão. Para

cada uma das perturbações é criado um documento estatístico com a frequência do

acontecimento.

De modo a melhor visualizar o papel deste equipamento num determinado projeto

é explicado o funcionamento deste quando é utilizado em aplicações avançadas em smart

grids. Como se pode ver Figura 2.5, o G Smart gere diversas áreas de consumo de energia.

Este tem como função gerir a procura e efetuar um controlo combinado entre consumo,

armazenamento, carregamento e microgeração. O seu funcionamento neste modo pode

ser isolado ou ligado à rede.



Figura 2.5 – Aplicações avançadas para smart grids [23].

O aspeto exterior do controlador inteligente pode ser visto na Figura 2.6, onde é

possível identificar algumas das suas interfaces de saída tais como duas portas USB, uma

porta RS-232, duas portas ethernet e vários leds de sinalização de eventos.

Figura 2.6 – Controlador inteligente G Smart [23].

2.2.5. EnergySTEP@Work

A Schneider Electric desenvolveu o EnergySTEP@Work [8]. É uma solução

direcionada para informar as empresas de Tecnologia de Informação (TI) sobre os



consumos de energia ao nível da tomada. Cada vez mais, o local de trabalho é usado pelos

funcionários para recarregarem os seus dispositivos móveis, sejam estes computadores

portáteis, telemóveis ou outros. Esta tendência, embora seja individualmente pouco

significante, pode representar um aumento de cerca de 40% no consumo de energia do

edifício, quando somadas todas as contribuições individuais.

No sentido de controlar o consumo de energia extra, a Schneider Electric apresenta

em conjunto com a tecnologia da Cisco® EnergyWise [9], o software StructureWare que

disponibiliza online o consumo dos diversos aparelhos ligados às tomadas do edifíc io.

Este software tem como propósito reduzir e controlar o desperdício de energia associado

aos equipamentos de TI, como por exemplo, iluminação de secretária, impressoras,

telefones IP, routers, entre outros. A Figura 2.7 demonstra o aspeto gráfico do software.

Figura 2.7 – Visualização de um excerto do software StructureWare [24].

A tecnologia da Cisco® EnergyWise que dá suporte ao software de recolha de dados

é composta por uma rede de extensões elétricas que alimentam os equipamentos da

empresa ou escritórios. Existem diferentes tipos de extensões, cada uma com

características ligeiramente diferentes, no entanto, para exemplificação, será usado o

modelo PX-5528 Raritan, representado na Figura 2.8. Este permite monitorizar e

controlar os equipamentos a si ligados. A monitorização é feita ao nível da tomada, cada

tomada da extensão permite obter os valores de corrente, tensão, potência, fator de

potência (FP) e consumo de energia com uma precisão de aproximadamente 1%. Os

dados podem ser consultados localmente através de um pequeno LCD ou remotamente,

podem também ser definidos parâmetros e alertas. Quando acedidos remotamente, os



dados são encriptados por uma chave de 256-bits, palavra passe e outras opções

avançadas de segurança [25].

Figura 2.8 – Extensão PX-5528 Raritan [26].

2.2.6. Open Energy Monitor

O Open Energy Monitor consiste num projeto open-source cujo objetivo é permitir

que qualquer individuo possa desenvolver o seu próprio monitorizador de energia. Todos

os elementos constituintes do projeto estão disponíveis online. O software pode ser

descarregado diretamente do website e o hardware pode ser adquirido em várias lojas

referenciadas no website.

O sistema Open Energy Monitor é compatível com o Integrated Development

Environment (IDE) do Arduíno, o que facilita a sua utilização e perceção por parte do

publico em geral. O sistema é constituído, essencialmente, por quatro partes principa is

emonTx, emonGLCD, emonBase e emoncms. As diferentes partes podem ser montadas

e configuradas para trabalhar numa variada gama de aplicações. Estas vão desde

monitorizadores de energia, temperatura, pressão, até controladores de energia solar. Esta

versatilidade do sistema permite utilizar os conhecimentos adquiridos na montagem do

projeto para outras aplicações. A Figura 2.9 ilustra a arquitetura geral do sistema.



Figura 2.9 – Arquitetura do sistema Open Energy Monitor [27].

O módulo emonTx é responsável pela aquisição das grandezas elétricas,

processamento, e posterior envio das mesmas para o emonBase. Os sinais adquiridos

pelos sensores de tensão e corrente são processados localmente e resultam em

informações úteis sobre a habitação ou equipamento sob monitorização. O processamento

é realizado no microcontrolador ATmega328, este tem como principais características ser

um microcontrolador bastante conhecido e com muita documentação disponível online,

o que facilita a sua programação por parte utilizadores menos experientes. Este pode,

também, ser configurado ao gosto do utilizador. As informações obtidas através do

processamento deste módulo, como por exemplo, o consumo de energia, valores de

potência, tensão e corrente, são enviados para o módulo emonBase via wireless.

O módulo wireless que permite a comunicação entre as diferentes partes do sistema

é o RFM12B. A comunicação só é possível se for usada a mesma frequência em todos os

módulos do sistema, este valor é tipicamente 433 MHz.

A estação base, constituída pelo módulo emonBase, tem como principal finalidade

reencaminhar os dados para um servidor emoncms, de modo a disponibilizar os mesmos

online. O módulo emonBase pode ser constituído por uma Raspberry Pi ou

NanodeRF SMT e um sensor RFM12B. A estação base permite organizar os dados

recebidos e definir o seu percurso até ao utilizador. Os dados podem ter várias origens,

como por exemplo, grandezas medidas por sensores extra de temperatura e humidade.

Uma vez processados, os dados são enviados para o módulo emoncms. Por fim, todos os

dados podem ser apresentados no emonGLCD.



O aspeto deste módulo, o emonGLCD, pode ser visto na Figura 2.10. O design do

módulo fica ao encargo do utilizador e este é constituído por um LCD de 128x64

polegadas. Este módulo é, por sua vez, constituído por uma Arduíno ATmega323 e um

transmissor RFM12B. O transmissor recebe os dados vindos da estação base e o Arduíno

organiza-os de modo a apresenta-los corretamente no visor.

Figura 2.10 – Aspeto visual do módulo emonGLCD [27].

Por último, o módulo responsável por disponibilizar os dados online, o emoncms,

consiste numa aplicação web open-source para a consulta e visualização de registos de

energia, temperatura, entre outros. Este módulo, representado pela Figura 2.11, consiste

num software que pode ser instalado na própria estação base ou externamente num

servidor remoto [12]. Quando instalado na estação base, os dados que este armazena são

menos suscetíveis a questões de segurança e privacidade, pois estes nunca saem do local

onde o Open Energy Monitor é instalado [27]. É de salientar que todo o código necessário

ao funcionamento de qualquer parte deste sistema se encontra disponível no website do

produto.

Figura 2.11 – Plataformas de consulta dos dados emoncms [27].



2.2.7. Fluke 430 Série II

Os equipamentos Fluke 430 Série II são analisadores de qualidade de energia para

sistemas monofásicos e trifásicos. O objetivo destes equipamentos é, acima de tudo,

localizar, prever, evitar e detetar avarias relacionadas com questões de QEE.

Estes produtos têm excelentes características e diversas funcionalidades extra,

razão pela qual o seu preço é consideravelmente elevado em comparação com outras

soluções existentes no mercado. Embora o preço não esteja ao alcance de qualquer

consumidor, este equipamento também não se destina a simples monitorizações pontuais.

O uso de um equipamento tão sofisticado quanto este torna-se viável sempre que

seja necessário prevenir e, consequentemente, evitar situações de grande prejuízo. Como

exemplo ficam as seguintes situações. As perdas financeiras relativas à avaria de

equipamentos ou à paragem de uma linha de produção onde o investimento na aquisição

do monitorizador é compensado pela redução ou mesmo eliminação de avarias. O perigo

associado a avarias em meios de transporte como aviões é um risco constante para os

passageiros. Por isso, justifica-se que as empresas envolvidas adquiram bons

equipamentos para manter os aviões em perfeitas condições de segurança e

funcionamento.

Vistos estes exemplos, conclui-se facilmente que a má qualidade ou mesmo falhas

de energia elétrica têm consequências nos equipamentos, avariando-os, parando linhas de

produção mas também colocando em risco vidas humanas. Com este equipamento da

Fluke não só se consegue evitar e prever avarias mas também se torna possível estimar o

valor de prejuízo financeiro que uma determinada organização poderá sofrer devido a

problemas de QEE.

Os equipamentos da família Fluke 430 permitem vários tipos de medições e análises

e possuem diversas funções integradas no aparelho. São de destacar as seguintes

funcionalidades:

Análises gráficas automáticas;

Cálculo de perda de energia:

Mede a energia ativa e reativa, desequilíbrios e potência dos harmónicos.

No final, devolve o valor das perdas no sistema;

Captura de dados PowerWave;

Captura de formas de onda;

Deteção de avarias em tempo real;



Eficiência do inversor de potência;

Medição de três fases e neutro;

Monitorização de equipamentos;

Visualização e elaboração de gráficos e relatórios:

Os dados examinados e armazenados no Fluke podem ser revistos no PC

através de um software de análise.

Uma série de funções avançadas permitem analisar várias situações. Deve-se

destacar a seguinte funcionalidade. É possível analisar o perfil de consumo de

determinados equipamentos e concluir quais podem ser otimizados de modo a poupar

energia. No entanto, a poupança de energia pode, também, ser estimada em termos de

prejuízo que um determinado equipamento pode causar por estar inativo devido a uma

avaria e pelo custo da reparação do mesmo. Em situações de perdas por desequilíbrios de

tensão em sistemas trifásicos e perdas associadas à presença de harmónicos na instalação,

também é calculada uma estimativa do prejuízo causado.

Para finalizar, o analisador presente na Figura 2.12 tem todas as competências para

analisar e identificar situações de desperdício de energia, de avaria eminente e má

qualidade de energia elétrica [28].

Figura 2.12 – Analisador de Qualidade de Potência Fluke 435 Série II [28].



2.3. Monitorizadores Desenvolvidos na Universidade do Minho

Em ambiente académico, mais especificamente no Grupo de Eletrónica de Potência

e Energia (GEPE) da Universidade do Minho, foram desenvolvidos alguns

monitorizadores de energia elétrica. Serão aqui apresentados e descritos dois projetos

desenvolvidos nos laboratórios do GEPE.

2.3.1. Sistema Distribuído de Monitorização de Consumos e Qualidade de Energia

Elétrica

O trabalho resultante desde sistema de monitorização foi desenvolvido por Manuel

Pereira no âmbito da sua Dissertação de Mestrado em Eletrónica Industrial e

Computadores. O título da Dissertação atribuído a este projeto é “Sistema distribuído de

monitorização de consumos e qualidade de energia elétrica” [29].

Trata-se de um monitorizador de baixo custo utilizando uma rede sem fios. A rede

sem fios utiliza o protocolo ZigBee/IEEE 802.15.4.

Arquitetura do Sistema Distribuído

O sistema distribuído de monitorização é constituído por quatro partes: pelo nó

sensor, pela estação base, pelo nó coordenador da rede sem fios ZigBee, e pelo software

do PC. A possível arquitetura do sistema pode ser vista na Figura 2.13. Dependendo da

necessidade pode ou não existir um quinto elemento, o nó router. No entanto, a

necessidade deste último nó, só é justificada se existirem nós sensores fora do alcance da

estação base. A função do nó router consiste apenas em reencaminhar informação e

estender o alcance da rede.

Figura 2.13 – Possível arquitetura do sistema distribuído [29].



Os dados adquiridos pelo nó sensor são enviados para o nó coordenador através dos

nós routers da rede sem fios. O software do PC, por sua vez, coleta os dados da estação

base e exibe-os para o utilizador.

Detalhes do Hardware

A placa que forma o nó sensor, como pode ser visto na Figura 2.14, é constituída

pelo circuito integrado ADE7753 no verso da placa e pelos restantes componentes no

topo. O ADE7753 é o elemento chave da placa, este é responsável pela aquisição e

processamento dos sinais vindos dos sensores de tensão e corrente [30]. Uma vez

processados, os dados são colhidos pelo SoC CC2530EM e enviados para a estação base.

As características deste módulo são as seguintes, é constituído por um microcontrolador

8051, um transcetor RF de alto desempenho compatível com o padrão IEEE 802.15.4 na

faixa de 2.4 GHz, possui 8 kB de RAM e até 256 kB de memória Flash. Este módulo é

usado em todos os nós da rede (nó sensor, router e estação base).

Por último, um relé permite que o nó sensor atue como um interruptor ligando e

desligando os equipamentos a este ligados.

O nó sensor é adequado à rede elétrica residencial em Portugal, cujas características

são tensão de 230 V/50 Hz e corrente máxima de 16 A.

Figura 2.14 – Arquitetura do nó sensor [29].

Por sua vez, a estação base funciona como coordenador da rede ZigBee e é

conectada a um PC por USB. A estação base comunica com o software do PC sempre que

dados vindos de nós sensores chegam à mesma.



Detalhes do Software

Cada módulo CC2530EM é programado em função do seu propósito, o módulo

presente no nó sensor é programado de modo a ler os registos do ADE7753 e enviar os

dados para a estação base. Por outro lado, o módulo presente na estação base é

responsável por receber os dados vindos dos nós a jusante e enviar para o PC as

informações inerentes aos nós sensores. A programação destes módulos é realizada

através do software IAR Embedded Workbench. Os módulos CC2530EM usados neste

projeto foram programados usando a Z-Stack-CC2530-2.4.0-1.4.0 que é compatível com

dois perfis da norma ZigBee 2007, sendo estas ZigBee e ZigBee Pro.

O software que corre no PC do utilizador foi desenvolvido em linguagem C#.

O objetivo deste é proporcionar ao utilizador uma interface onde todos os dados

adquiridos pelos nós sensores podem ser consultados. O programa consiste numa

aplicação para o Windows, constituída por três opções na parte superior. Quando alguma

das opções for selecionada, a respetiva informação é apresentada na parte inferior. Uma

vez iniciado e configurado o software, este fica pronto para receber a informação dos nós

sensores. A informação pode ser analisada em tempo real através do menu “End Device”,

como pode ser visto na Figura 2.15. Os dados nesta etapa são atualizados sempre que

novos dados chegam.

Figura 2.15 – Aspeto do menu de comunicação [29].

Relativamente aos consumos de energia elétrica, o utilizador é informado sobre a

tensão, corrente, frequência, potência consumida e fator de potência. Uma vez que o

ADE7753 também deteta eventos de qualidade de energia elétrica, nomeadamente falhas



de energia, sags e swells, estes são, de igual modo, exibidos no programa sempre que

ocorrem. O preço da energia pode ser definido no programa para que ao longo da

monitorização este possa indicar o montante consumido. Mais do que calcular a energia

consumida, o software consegue estimar o consumo mensal e anual de um determinado

equipamento. Por fim, os dados podem ser exportados para um ficheiro Excel e

armazenados para futura consulta.

2.3.2. Monitorizador da Qualidade da Energia Elétrica

O Monitorizador da Qualidade da Energia Elétrica (MQEE) descrito nesta secção

foi desenvolvido nos laboratórios do GEPE. O aspeto do monitorizador pode ser visto na

Figura 2.16. A plataforma de desenvolvimento usada foi a F28M35H52C da Concerto

Microcontrollers family produzida pela da Texas Instruments. São de salientar as

seguintes características da plataforma, esta possui um System on Chip com um DSP C28

e microprocessador ARM M3, interfaces para ethernet, µSD, USB, e possui também um

circuito dedicado para depuração por JTAG.

Figura 2.16 – Aspeto dos elementos que constituem o monitorizador desenvolvido.

Para interagir com o hardware foi desenvolvido um software, cuja função é

comunicar com o hardware de modo a receber todos os dados relevantes. O software

permite representar graficamente os valores obtidos pelo MQEE bem como alterar



definições. Os dados resultantes do processamento das grandezas físicas de interesse são

armazenas no µSD

Por fim, as grandezas obtidas pelos sensores são processadas e posteriormente

armazenadas localmente no cartão µSD ou podem ser acedidas via ethernet.

Características do Hardware

O monitorizador desenvolvido apresenta as seguintes características técnicas:

4 Canais isolados de tensão (600 Vrms max.) + 4 canais isolados de corrente;

Acesso remoto aos dados armazenados e controlo remoto da monitorização;

Armazenamento num cartão de memória com sistema de ficheiros FAT;

Cálculo da FFT de 1024 amostras para um conjunto de 10 ciclos;

Cálculo dos valores eficazes das tensões e correntes, THD, TPF, potências

ativa, reativa e aparente, e frequência segundo a norma IEC 6100-4-30;

Deteção de eventos: sags, swells, interrupções;

Taxa de amostragem de 25,6 kS/s (512 amostras por ciclo de 50Hz).

É de destacar a gama de valores máximos para os quais este monitorizador foi

projetado. Este suporta tensões até 1500 Vrms em tensão continua e alternada, este facto

deve-se aos sensores usados serem do tipo CYHVS5-25A. Uma vez que os canais de

aquisição de sinal são isolados, podem ser feitas medições com referências diferentes.

Relativamente aos valores máximos de corrente, o MQEE possuí sensores que permitem

medições até 400 Arms. Os sensores que permitem esta gama de valores de corrente são

do tipo CYHCS-WLY-400A têm a vantagem de poderem ser instalados sem desconectar

qualquer condutor uma vez que possuem um ponto de abertura.

Detalhes do Software

A placa de desenvolvimento é programada usando o software Code Composer

Studio da Texas Instruments. O IDE por eles fornecido é usado para desenvolver

aplicações de baixo nível. Neste caso o IDE é utilizado para compilar e depurar código

para o DSP e o ARM M3, ambos elementos base da placa de desenvolvimento

F28M35H52C.

Relativamente à aplicação gráfica que permite controlar o monitorizador, esta foi

desenvolvida em línguagem C++ e biblioteca Qt Framework. Esta aplicação comunica

com o MQEE por ethernet. A aplicação tem diversas funcionalidades, em lugar de



destaque está o modo “scope” que permite visualizar as formas de onda das tensões e

correntes para todos os canais, como pode ser visto na Figura 2.17. A aplicação permite,

também, uma série de ajustes de escala. O modo “Spectrum” dá ao utilizador o espectro

harmónio das tensões e correntes para cada uma das três fases. O modo “Monitor”

proporciona ao utilizador uma série de opções configuráveis de modo a tornar a

monitorização o mais personalizável possível. São de salientar as seguintes opções,

monitorização manual ou programável, tempo de monitorização e acesso a registos e

consulta de eventos armazenados no MQEE.

Por fim, o modo “Setup” deve ser usado para consultar ou definir parâmetros físicos

relativos ao MQEE, estes podem ser sobre o estado de utilização da memória, hora e data,

aspeto das formas de onda, etc.

Figura 2.17 – Software Qt do MQEE.

Um segundo software foi desenvolvido para correr no sistema operativo Android.

Neste estão disponíveis alguns dos modos da aplicação principal, por exemplo o modo

“Scope” e “Meter”. Este segundo software permite ao utilizador acompanhar a

monitorização com mais comodidade a partir do seu smartphone. Na Figura 2.18 e

Figura 2.19, pode ser observados o modo “Scope” e “Meter” respetivamente. Assim se

concluem as funcionalidades deste MQEE.



Figura 2.18 – Representação de uma forma de onda.

Figura 2.19 – Visualização dos dados em tabela.

2.3.3. Conclusões

Ao longo deste capítulo foram apresentados vários sistemas de monitorização

existentes no mercado, bem como alguns exemplos do que o GEPE (Grupo de Eletrónica

de Potência e Energia da Universidade do Minho) é capaz de desenvolver nos seus

laboratórios. O mercado tem disponibilizado monitorizadores de tamanho reduzido e cada

vez mais user friendly ou seja, fáceis de utilizar por parte dos consumidores. Estes

monitorizadores são adequados para ambientes domésticos, pois em determinadas

situações podem possibilitar reduções significativas no consumo de energia, ou em caso

de serem usados em habitações já por si bastante eficientes, permite na mesma ao

utilizador conhecer o seu perfil de consumo de energia.

Relativamente aos sistemas de monitorização de energia elétrica direcionados à

indústria, os que se têm destacado são os monitorizadores associados ao conceito de smart

grid. Uma vez que gradualmente as cidades estão a ser integradas em redes de energia

inteligentes, com integração de sistemas de microgeração, é necessário conhecer, em



tempo real, a procura e a oferta de energia nas cidades. Sendo assim, as casas, bem como

outros elementos da própria rede elétrica, têm de estar equipadas com sistemas que

permitam monitorizar o fluxo de energia.

Por fim, é de realçar o caminho tecnológico que os sistemas de monitorização estão

a seguir. Estes vão de encontro ao conceito de Internet of Things (IoT). À semelhança de

tantos outros equipamentos, como eletrodomésticos e smartphones, são cada vez mais os

sistemas de monitorização que estão ligados à internet e que podem ser acedidos e

configurados remotamente.



CAPÍTULO 3

Projeto do Sistema de Supervisão e Gestão para

Sistemas de Monitorização de Energia Elétrica

3.1. Introdução

Neste capítulo é apresentado o esquema geral do sistema que se pretende

desenvolver. Serão identificados os principais pontos a considerar no momento da escolha

da arquitetura que dará suporte ao sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de

energia elétrica. Serão explicados os motivos por trás de cada escolha, bem como

vantagens ou desvantagens que estas possam trazer para a globalidade do sistema.

O GEPE tem, ao longo dos anos, desenvolvido diversos tipos de monitorizadores

de energia elétrica. Ano após ano, sempre que um novo modelo é projetado e

desenvolvido, o principal objetivo consiste sempre em melhorar o desempenho em

relação aos monitorizadores anteriores e, ao mesmo tempo, diminuir o seu tamanho de

forma a facilitar a sua utilização. De momento encontram-se disponíveis vários modelos

funcionais. A maior parte dos modelos desenvolvidos possui uma componente em

hardware e outra em software, sendo que esta última tem como objetivo controlar ou

processar dados vindos do hardware.

O que se propõe nesta Dissertação consiste em desenvolver um sistema que seja

capaz de interagir com alguns dos monitorizadores existentes no GEPE. Isto é,

desenvolver uma plataforma capaz de comunicar com diferentes monitorizadores. Uma

plataforma com a capacidade de adquirir dados de diferentes monitorizadores e que

permita agrupar informação de vários monitorizadores no mesmo local. Uma vez

devidamente guardados e identificados, os dados podem ser usados para inúmeras

aplicações. Não só a consulta dos dados é simplificada pelo facto de estes estarem numa

base de dados, mas é, também, possível usar software de pós processamento para

identificação automática de eventos. Analisar os dados pode ser útil para, por exemplo,

determinar estatisticamente a frequência que um determinado evento ocorre durante

determinado período de tempo, ou relacionar o aparecimento de determinados eventos

com outros. Enfim, existe uma infinidade de possibilidades.



Após terem sido analisados os monitorizadores desenvolvidos no GEPE bem como

monitorizadores comerciais no Capítulo 2, chegou-se à conclusão que, na maioria dos

casos, o hardware destes é constituído por um sensor e por um controlador. A interface

com o utilizador é tipicamente realizada a partir de uma ligação entre o controlador e um

PC. Partindo da topologia acima apresentada, faz sentido que o sistema de supervisão e

gestão de monitorizadores seja compatível com os sistemas pré existentes. Os diversos

tipos de protocolos de comunicação usados na troca de informação entre equipamentos,

neste caso, por diferentes monitorizadores, deverão ser suportados pelo sistema que se

pretende desenvolver.

Os meios de comunicação mais usados são variantes do protocolo comunicação

série. Existem diversos protocolos, tais como, UART, SPI, I2C, 1-Wire, etc. É, no

entanto, importante realçar que recentemente os meios de comunicação sem fios têm

ganho uma posição de destaque. Os meios de comunicação sem fios mais usados e de

maior importância são os que usam a tecnologia Wi-Fi, ZigBee e Bluetooth. Será, então,

de esperar que a plataforma que se pretende desenvolver suporte os protocolos de

comunicação mais em voga. Os tipos de comunicação suportados são um elemento chave

do sistema, sendo que quantos mais forem, mais abrangente este será.

Nesta altura, a plataforma depende dos monitorizadores que serão escolhidos para

integrar o sistema de supervisão e gestão. Uma vez que não se pretende desenvolver

nenhum monitorizador novo, a escolha do monitorizador que se pretende usar será feita

com base na disponibilidade de equipamento do GEPE. Serão usados como critérios o

tipo de comunicação que os monitorizadores usam para transferir os dados e viabilidade

de integração dos mesmos no sistema de supervisão e gestão.

3.2. Qualidade de Energia Elétrica

No decorrer desta Dissertação referem-se, por diversas vezes, problemas de

qualidade de energia elétrica. Assim, uma vez que este capítulo dá início à descrição do

sistema, é importante analisar e discutir alguns dos eventos de QEE mais frequentes.

Na Tabela 3.1 são categorizados os problemas de QEE que ocorrem mais

frequentemente. Embora simplificada, a tabela permite identificar cada um dos eventos

através das suas características.

Os eventos impulsionais da categoria dos transitórios são os que mais ocorrem.

Estes manifestam-se na forma de picos de tensão ou corrente. Relativamente aos eventos

de variação de curta duração da tensão, existem os sags, swells e interrupções. A distinção



entre estes eventos e os da categoria de variação longa da tensão está na duração do

evento.

Uma vez que os eventos de QEE mais referidos nesta Dissertação são os sags,

swells e interrupções momentâneas de energia, estes são descritos com mais pormenor.

Segundo, a norma portuguesa NP EN 50160, um sag consiste numa diminuição da tensão

entre 90% e 1% da tensão de referência. Por convenção, a duração deste evento é de

10 milissegundos a 1 minuto. Este fenómeno é, em muitos casos, identificado a olho nu

através do “piscar” de uma lâmpada [31]. Por sua vez, o swell é o oposto ao sag, consiste

numa sobretensão com uma duração típica de 10 ciclos da rede. Em comparação com os

sags, os swells são um evento mais raro [32]. Por fim, as interrupções são um evento tanto

de longa como de curta duração em que o valor eficaz da tensão é inferior a 1% da tensão

de referência.

Tabela 3.1 – Principais problemas de QEE [29].

Categorias Problemas de QEE Caracterização

Transitórios

Impulsionais Magnitude do pico; Tempo de

subida; Duração do evento

Oscilatórios Magnitude do pico;

Frequência de oscilação

Variações Curtas da Tensão

Cavas (sags) Amplitude; Duração

Sobretensões (swells) Amplitude; Duração

Interrupção Duração

Variações Longas da Tensão

Subtensões Amplitude; Duração

Sobretensões Longas Amplitude; Duração

Interrupção Duração

Desequilíbrios na Tensão Componentes Simétricos

Distorção da Onda

Harmónicos e Interharmónicos THD; Espectro Harmónico

Micro-Cortes (Notching) THD; Espectro Harmónico;

Duração; Tempo de subida

Corrente Contínua Tensão; Corrente

Tremulação Frequência do acontecimento;

Frequência moduladora

A norma NP EN 50160 define, também, a variação de tensão permitida em

condições normais de exploração. Em Portugal, o valor nominal da tensão é de 230 V

entre fase e neutro, logo a tensão não poderá variar mais do que +/- 10% em relação a

esse valor. Os valores eficazes médios de 10 minutos devem estar compreendidos entre

207 V e 253 V, em 95% do período de uma semana.



3.3. Monitorizador baseado no IC ADE7753

A escolha do primeiro monitorizador com que se pretende trabalhar consiste em

utilizar o hardware desenvolvido por Manuel Pereira na sua Dissertação de mestrado

apresentado no capítulo 2 na secção 2.3.1. Embora os traços gerais do funcionamento do

monitorizador já tenham sido introduzidos, nesta Dissertação apenas será usada o

hardware do monitorizador.

O monitorizador consiste numa placa constituída pelo circuito integrado (IC)

ADE7753, desenvolvido pela Analog Devices [30], sendo este o elemento que processa a

informação recebida pelos sensores de tensão e corrente. O método de acesso aos dados

e configuração do monitorizador é conseguido através de comunicação série, mais

precisamente por Serial Peripheral Interface (SPI).

Segue uma breve descrição das características e funções do ADE7753. Este possuí

ADCs e DSPs de alta precisão mesmo quando sujeito a grandes variações ambientais. O

IC é dotado de dois ADCs de 16 bits de segunda ordem Σ-Δ, um integrador digita l,

circuitos de referência, sensor de temperatura, e todo o processamento de sinal necessário

para calcular o valor da potência ativa, reativa e aparente. Calcula a frequência da rede e

valores eficazes da tensão e corrente.

O ADE7753 proporciona uma interface série para troca de informação que pode ser

usada para leitura dos registos ou para fins de calibração. Possui uma saída em frequência

de pulso, que é proporcional à potência ativa. Os vários meios de calibração do sistema

permitem correções no offset de cada canal, calibração de fase e calibração de energia, o

que assegura alta precisão nos resultados. Por fim, este é capaz de detetar variações na

tensão, deteta sags e swells, e de contabilizar o tempo de duração de falhas no

fornecimento de energia. A Figura 3.1 representa o diagrama de blocos do circuito

integrado. Uma vez que está disponível no GEPE uma placa com ADE7753 e com todos

os componentes necessários ao seu funcionamento, este será usado no sistema de

supervisão e gestão de monitorizadores de energia.



Figura 3.1 – Diagrama de blocos do ADE7753 [30].

Na Figura 3.2 pode ser visto o aspeto da PCB. A conceção da PCB baseou-se na

sugestão que é apresentada no datasheet do ADE7753 [30], tal como é exibido na

Figura 3.3.

Figura 3.2 – Vista de topo da PCB do monitorizador.

A PCB é, essencialmente, constituída por um transformador de corrente, de modo

a registar as variações da corrente consumida pela carga, por um divisor de tensão, de

forma a registar o valor da tensão aos terminais da carga, e por diversos leds com o

propósito de dar feedback sobre o funcionamento da placa.



Um monitorizador com esta configuração pode ser usado junto do quadro elétrico

ou ao nível das tomadas.

Figura 3.3 – Circuito sugerido pelo datasheet do IC ADE7753 [30].

3.4. Monitorizador Baseado no Sistema Distribuído de Monitorização

de Consumos de Energia Elétrica

O monitorizador aqui introduzido foi desenvolvido no GEPE durante a unidade

curricular “Projeto” 2. As principais características deste monitorizador são as seguintes,

é constituído por uma placa de aquisição das grandezas elétricas e por um módulo

CC2530EM para retransmitir os dados para uma estação base através do protocolo

ZigBee/IEEE 802.15.4. Tanto a placa de aquisição, como o módulo de comunicação, são,

como se pode ver na Figura 3.4, de dimensões reduzidas.

A placa que permite medir as grandezas elétricas é constituída por diversos

elementos essenciais, os sensores de tensão e corrente, o IC ADE7753 responsável por

calcular o valor da tensão, corrente, potência ativa e reativa, fator de potência, etc. Esta

está, também, equipada com um sistema de alimentação ininterrupto. Uma vez que todo

o sistema é alimentado a partir a rede, foi essencial garantir que o funcionamento do

mesmo não fosse afetado por interrupções no fornecimento de energia. Assim, no

momento da interrupção, a alimentação da placa é comutada para uma bateria. Uma falha

de energia é considerada como evento de qualidade de energia, daí a importância de a

detetar e medir a sua duração. Por fim, o relé permite ligar ou desligar equipamentos

ligados ao monitorizador.



Figura 3.4 – Vista de topo, lateral e base do monitorizador.

O motivo da escolha deste monitorizador deve-se, principalmente, ao tipo de

comunicação por este utilizado. Uma vez que o monitorizador usa comunicação sem fios

ZigBee, é uma mais-valia pois segue a tendência atual dos monitorizados presentes no

mercado. Existem cada vez mais produtos com o objetivo de medir algum tipo de

grandeza física, quer seja, elétrica, temperatura, humidade, velocidade do vento, entre

outras [33] [34]. Por outro lado, têm-se desenvolvido produtos que integram o conceito

da Internet of Things [35]. Estes produtos são na maioria das vezes equipamentos

domésticos do dia-a-dia, com a particularidade de possuírem uma ligação à internet. Os

dados relativos ao funcionamento dos mesmos ficam disponíveis online. Também é

possível acionar remotamente certas funcionalidades destes dispositivos.

Agora, voltando ao tema, quando vários monitorizadores são usados em conjunto,

estes podem monitorizar diversos equipamentos, permitindo obter resultados detalhados

de cada um dos elementos sob monitorização. Esta tarefa é, por razões óbvias, facilitada

sempre que se usam equipamentos com ligações sem fios.

Tal como é apresentado na Figura 3.5, este monitorizador é compacto o que o torna

adequado para uso ao nível das tomadas e uso doméstico.



Figura 3.5 – Vista do interior da caixa do monitorizador.

A comunicação entre o monitorizador e o recetor dos dados faz-se através de

módulos CC2530EM. Tal como é apresentado na Figura 3.6, estes módulos são

responsáveis por transportar a informação em ambos os sentidos, quer seja do recetor para

o monitorizador, quer no sentido contrário. O sistema de supervisão e gestão deverá ser

capaz de comunicar por Universal Asynchronous Receiver/Transmitte (UART) com o

módulo recetor, pois será a partir deste que será feita a troca de comandos e de

informações com o monitorizador.

Figura 3.6 – Esquema representativo da comunicação entre o monitorizador e o recetor.

3.5. Requisitos do Sistema

Uma vez que estão definidos os monitorizadores que serão usados no sistema de

supervisão e gestão, serão agora apresentados os parâmetros relevantes do sistema que se

pretende desenvolver.

O sistema deve ser capaz de usar a informação obtida pelos monitorizadores para

tomar decisões em tempo real. As decisões podem ser do género de ligar ou desligar

equipamentos ou desencadear ações com base nos registos obtidos. Será, então, de esperar

que seja possível existir um modo de resposta rápida em caso de eventos de QEE. O



trigger desses eventos deverá ser programado pelo utilizador conforme a necessidade de

atuação ou não. Este modo de usar os monitorizadores pode ser útil, pois permite ligar ou

desligar automaticamente determinados equipamentos. A utilidade deste modo reflete-se

essencialmente na prevenção de avarias pois permite desligar preventivamente

equipamentos com menor tolerância à variação dos parâmetros da rede elétrica.

Continuando, a interface do sistema de gestão deverá ser compatível com o maior

número de sistemas operativos possível. Usando como exemplo os equipamentos de

monitorização desenvolvidos pelo GEPE, a maior parte deles possui um software próprio.

Sempre que um software é desenvolvido, o número de máquinas onde este pode ser

instalado depende de pelo menos dois fatores. Um software pode não funcionar em todos

os sistemas operativos e nem todas as máquinas possuem os requisitos mínimos que

suportem o software. A ideia, nesta altura, será migrar para uma plataforma comum à

maior parte dos sistemas operativos, como por exemplo os browsers.

A solução em vista consiste em desenvolver a interface para o utilizador usando o

sistema na forma de aplicação web ou web based application em inglês. A aplicação

correrá num servidor web e será acessível a partir de qualquer sistema operativo ou

dispositivo móvel, desde que estes possuam um browser [36]. A aplicação poderá ser

desenvolvida em HTML mas especialmente em PHP, pois trata-se de uma linguagem de

programação semelhante ao C++, que permite desenvolver páginas web bastante

dinâmicas. O PHP é também uma linguagem server-side o que poderá trazer ganhos na

no modo como a informação é processada e, também, menor consumo de recursos por

parte da máquina do cliente [37]. A característica server-side permite que as páginas e o

seu conteúdo sejam criadas no próprio servidor e apenas seja enviado o “resultado” para

o browser. Por isso, a linguagem PHP, combinada com a linguagem mais estática, o

HTML, deverá permitir implementar a maior parte do código necessário para fazer a

interface com o utilizador. O utilizador poderá configurar e consultar os monitorizadores

do sistema a partir desta interface.

Por último, o sistema de supervisão deve permitir, se necessário, upgrades

regulares. Isto significa que este deve acompanhar os avanços feitos ao nível da

tecnologia e por parte da exigência dos utilizadores do sistema. Mesmo ao nível do

hardware, este deverá ser capaz de suportar novas funcionalidades. O avanço da

tecnologia está constantemente a ocupar o mercado com novos produtos, daí ser

necessário que novas funcionalidades possam ser facilmente integradas num sistema

pré-existente.



Como resposta aos critérios estabelecidos, a solução que mais se adequa passa por

implementar o sistema de controlo e comunicação com os monitorizadores recorrendo à

tecnologia Field Programmable Gate Array (FPGA). Esta decisão baseia-se nas

características intrínsecas às FPGAs. Uma vez que os protocolos de comunicação se

baseiam num sistema de regras digitais para troca de dados entre dispositivos, fazem da

FPGA um meio natural para implementar a comunicação.

Ao controlar as entradas e saídas do sistema ao nível do hardware consegue-se

aperfeiçoar a performance do sistema pois este é desenvolvido especificamente para um

determinado uso. Outro fator decisivo na escolha de FPGAs consiste no facto de estas

poderem serem atualizáveis, o que constitui uma mais-valia, pois permite a adição de

funcionalidades ao projeto ou a alteração de algum parâmetro ou protocolo de

comunicação.

Como foi visto no capítulo 2, a maior parte dos sistemas de monitorização de

energia elétrica são constituídos por sensores, por meios de transmissão de informação,

por um dispositivo destinado a guardar os dados e, como é óbvio, por uma interface que

disponibiliza a informação aos utilizadores.

O sistema que nesta Dissertação se pretende desenvolver será constituído pelos

monitorizadores, por uma FPGA e por um mini computador para armazenar os dados e

para fazer interface com o utilizador.

3.6. Arquitetura Proposta

Com base nos requisitos do sistema, a arquitetura proposta para solucionar todas as

condições encontra-se esquematizada na Figura 3.7. Para comunicar com cada um dos

monitorizadores usar-se-á uma FPGA. A tecnologia associada às FPGAs tem sido

amplamente usada em projetos de implementação de sistemas digitais programáveis ou

reconfiguráveis. O atual estado da tecnologia permite implementar sistemas digita is

complexos graças aos milhões de gates que as FPGAs possuem on-chip. [38].



Figura 3.7 – Possível arquitetura do sistema de supervisão e gestão de energia elétrica.

Será na FPGA que irão ficar os módulos responsáveis pela comunicação, quer esta

seja UART, SPI ou outras. Uma vez que se trata de comunicações, a FPGA é ideal pois

permite desenvolver toda a lógica necessária para a comunicação entre dispositivos. Neste

caso, entre os monitorizadores e a FPGA. O facto de as FPGAs permitirem paralelismo

na execução de código é muito vantajoso, isto significa que cada módulo responsável por

um tipo de comunicação é independente dos outros.

No entanto a FPGA por si só não resolve todos os problemas. Uma vez que esta

funciona a muito baixo nível seria muito complicado desenvolver nesta uma interface

apelativa e eficiente para suportar todo o sistema de supervisão e gestão. Por isso decidiu-

se usar um computador para fazer a gestão dos dados e alojar a aplicação web que fará

interface com o utilizador. O computador em questão trata-se de uma Raspberry Pi, sendo

este um mini computador, de dimensões reduzidas, que corre um sistema operativo

baseado em Linux. Neste poderá ser instalado o servidor web, uma base de dados e ainda

usar periféricos de baixo nível para comunicar com a FPGA.

Concluindo, o sistema que se pretende desenvolver é composto por uma FPGA,

cujo propósito é comunicar com os monitorizadores para adquirir o valor das grandezas

elétricas. A função da Raspberry Pi é de disponibilizar os dados adquiridos pela FPGA

num ambiente gráfico desenvolvido na forma de aplicação web e armazenar todos os

dados relativos às monitorizações numa base de dados.

3.7. FPGA

Será usada a board Basys2 produzida pela Digilent para implementar a parte lógica

da comunicação do sistema de supervisão e gestão [39]. Esta placa pode ser usada para



implementar desde simples circuitos lógicos, até projetos bastante complexos. A

Figura 3.8 mostra o aspeto da placa, esta é constituída pela FPGA Spartan 3-E da

Xilinx [40].

Figura 3.8 – Aspeto da Basys 2 [39].

As principais características desta placa estão representadas na Figura 3.9. Tal como

é possível ver na figura, a placa possui quatro saídas de seis pinos para entradas ou saídas.

A placa é dotada de mecanismos de proteção contra curto-circuitos e suporta tensões de

entrada de 3,5 V até 5,5 V. Possui um clock ajustável para três valores, 25, 50 e 100 MHz

e 100k gates, 18-bit multipliers e 72 kbits de fast dual-port block RAM.

Figura 3.9 – Características da Basys2 [39].

Toda a parte lógica das comunicações será implementada na FPGA, isto quer dizer

que a comunicação com os monitorizadores será feita através desta. O esquema da



Figura 3.10 representa a possível organização dos módulos que estarão presentes na

FPGA.

Os módulos principais são os seguintes, “Raspberry Pi”, “Monitorizador 1” e

“Monitorizador 2”. O módulo chamado de “Acesso aos dados” será usado para interpretar

os comandos enviados pela Raspberry Pi e para enviar de volta informação relativa aos

monitorizadores. Os módulos “Monitorizador 1” e “Monitorizador 2” possuem as funções

necessárias para comunicar com os respetivos monitorizadores e processar toda a

informação por eles obtida.

Figura 3.10 – Possível organização dos módulos da FPGA.

A Figura 3.11 esquematiza uma situação onde vários monitorizadores estão ligados

à FPGA. Independentemente do meio de comunicação usado pelos monitorizadores, a

FPGA é responsável por gerir cada um deles separadamente. Existe paralelismo em todos

os processos relativos à aquisição e processamento dos dados recebidos. Os dados após

serem adquiridos são armazenados no próprio módulo que os processou até serem

necessários por qualquer outro módulo.

Cada monitorizador possui os seus próprios comandos e modos de funcionamento,

por isso na FPGA deverão estar implementadas todas as funcionalidades para garantir o



correto funcionamento dos monitorizadores. Os modos de funcionamento serão baseados

em parâmetros que o utilizador do sistema poderá selecionar.

Figura 3.11 – Esquema da comunicação entre a FPGA e diferentes monitorizadores.

3.8. Raspberry Pi

A Raspberry Pi é um computador do tamanho de um cartão de crédito com um custo

de aproximadamente 25$ (cerca de 19€)[41]. O principal componente da Raspberry Pi é

o System On Chip (SOC) da Broadcom BCM2835 [42].Este incluí um processador de

32 bits da família ARM11 de 700 MHz e um processador gráfico, o Videocore IV. Possuí

ainda memória RAM de 256 MB ou 512 MB dependendo do modelo.

Para fazer interface com outros dispositivos, a Raspberry Pi possui diversos

conetores, dois terminais de vídeo, sendo estes constituídos por uma saída HDMI e uma

saída de vídeo composto, duas portas USB 2.0, uma porta 10/100 ethernet, um slot para

cartão SD, uma saída de áudio analógico e por fim, um banco de 26 pinos designado por

GPIO (General Purpose I/O Expansion Board).

Uma vez que a Raspberry Pi é, basicamente, um computador de tamanho reduzido.

Este permite realizar tarefas semelhantes às de um computador Desktop, como por

exemplo executar servidores web, navegar na internet, executar processadores de texto,

etc. As tarefas que a Raspberry Pi deve executar para dar suporte ao sistema de gestão e

supervisão de monitorizadores de energia estão representadas na Figura 3.12.

A Raspberry Pi deverá correr três programas para preencher as necessidades do

sistema, sendo eles um servidor web, uma base de dados e um programa destinado à

gestão da informação trocada entre o servidor web, base de dados e informação vinda dos

Comunicação

serie



monitorizadores. O esquema da Figura 3.12 representa a interação entre os diferentes

softwares. O servidor web é necessário para que o utilizador possa aceder à interface

gráfica e configurar cada um dos monitorizadores, bem como consultar resultados. Por

sua vez, os resultados de monitorizações são guardados numa base de dados MySQL. A

base de dados não só guarda resultados mas também possui as configurações inseridas

pelo utilizador. Por fim um programa desenvolvido em C++ é necessário para gerir dados,

interpretar os comandos introduzidos na página web pelo utilizador e enviá-los para a

FPGA. O programa também tem a função de receber dados vindos da FPGA e armazena-

los corretamente na base de dados de modo a que estes possam ser exibidos para o

utilizador do sistema.

Figura 3.12 – Relação entre os softwares executados na Raspberry Pi e com o exterior.

Para finalizar, do ponto de vista do utilizador, este apenas necessita de abrir uma

página web com ao endereço da Raspberry Pi, fazer login, e usar o sistema. O acesso à

página poderá ser local ou remoto. Ambos os modos apresentam vantagens e

desvantagens. Usar o modo remoto é excelente para evitar deslocamentos até ao local da

monitorização, permitindo acompanhar as monitorização onde quer que se esteja.

De modo a aumentar a segurança, no geral, será usado um sistema com login. Deste

modo apenas utilizadores conhecedores da password poderão usufruir das

funcionalidades do sistema.



3.9. Conclusão

Da combinação entre uma FPGA e Raspberry Pi espera-se tirar partido das

características únicas que ambos possuem. Por um lado, a FPGA permite aumentar a

performance da própria Raspberry Pi pois ao processar toda a parte relativa à

comunicação com os monitorizadores, fica mais poder de processamento disponível na

Raspberry Pi para a aplicação web. Na FPGA, cada monitorizador tem o seu sistema de

controlo independente e a funcionar em paralelo em relação aos outros. Por outro lado,

há a Raspberry Pi, com a capacidade de funcionar como servidor web e sustentar o

software necessário à gestão e supervisão dos monitorizadores. A Raspberry Pi possui,

também, uma excelente relação entre preço e funcionalidades que suporta.

O dinamismo pretendido para este sistema não se reflete apenas na sua arquitetura

física, espera-se que ao nível do software, este seja ser capaz de analisar e cruzar

informação recebida pelos vários pontos de recolha de dados. A informação obtida pelos

diversos monitorizadores é essencial para um bom entendimento do funcionamento dos

equipamentos sob monitorização.

Por fim, pretende-se que, graças a uma interface web simples mas eficiente, o

sistema seja fácil de utilizar por parte de qualquer utilizador.



CAPÍTULO 4

Simulações e Ensaios do Sistema Desenvolvido

4.1. Introdução

O propósito deste capítulo consiste em descrever a implementação e simulação da

componente digital de hardware responsável pela comunicação com os monitorizadores.

Ao longo deste, serão apresentadas todas as partes que constituem o sistema de supervisão

e gestão do sistema de monitorização de energia elétrica, e serão, também, apresentados

os softwares necessários ao seu correto funcionamento.

O capítulo está organizado em três secções. Na primeira secção são introduzidas as

linguagens de programação e ferramentas utilizadas em cada uma das partes do sistema.

Na secção seguinte será explicado o funcionamento de cada um dos módulos que correm

na FPGA. Por fim, na última secção, serão demonstrados os softwares instalados na

Raspberry Pi.

Em cada uma das etapas do desenvolvimento do sistema foram tomadas uma série

de decisões tendo sempre em vista os seguintes objetivos. O sistema final deve ser fácil

de usar pelos seus utilizadores regulares, ou seja, deve ser User Friendly. E deve ser

flexível, isto é, sempre que necessário, possibilitar atualizações de modo a suportar novos

monitorizadores e funcionalidades.

4.2. Ferramentas de Desenvolvimento e Linguagens de Programação

Para implementar o sistema foi necessário trabalhar com diferentes hardwares e

plataformas, consequentemente, foram utilizadas diferentes linguagens de programação.

As principais linguagens de programação usadas foram as seguintes, Verilog, C++,

HTML e PHP. Por sua vez, para cada uma das linguagens de programação, recorreu-se a

ferramentas de apoio, os IDEs. As linguagens de programação serão aqui apresentadas

desde a de mais baixo nível até à de mais alto.

4.2.1. ISE Design Suite e Linguagem Verilog

Recorreu-se à linguagem de programação Verilog para programar a FPGA. Esta

linguagem de programação é de baixo nível e é, também, uma linguagem de descrição de



hardware ou, em inglês, Hardware Description Language (HDL). A linguagem permite

descrever um sistema digital em vários níveis de abstração, sendo possível projetar,

verificar e implementar circuitos digitais que mais tarde podem ser descarregados para

uma FPGA. [43]

ISE Design Suite é uma ferramenta que permite sintetizar projetos desenvolvidos

em linguagem Verilog [44]. Esta ferramenta é produzida pela Xilinx para síntese e análise

de projetos HDL. ISE Design Suite não só permite sintetizar o código Verilog, como

também é capaz de simular o comportamento do hardware através da aplicação

ISE Simulator (ISim) [45]. Esta aplicação, sempre que necessária, é chamada pela

ferramenta principal. Por fim, à semelhança da ISim, o PlanAhead é mais uma ferramenta

que torna possível mapear as entradas e saídas do projeto diretamente numa FPGA

compatível [46]. A Figura 4.1 mostra o aspeto do ISE Design Suite.

Figura 4.1 – Aspeto visual do ISE Design Suite [44].

No desenvolvimento do sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de

energia elétrica foram utilizadas as ferramentas acima referidas em todos os módulos

presentes na FPGA. No seguimento deste capítulo serão apresentadas simulações e

testbenchs elaboradas pela ferramenta ISim.



4.2.2. NetBeans IDE e Linguagem C++

Para trocar informação entre a FPGA e a Raspberry Pi foi necessário desenvolver

uma aplicação capaz de usar o banco de entradas e saídas de uso geral (GPIO) da

Raspberry Pi [47]. Para usar esse banco de entradas e saídas foi desenvolvido um

programa em C++ para o sistema operativo Raspbian da Raspberry Pi. A linguagem C++

é considerada de médio nível, esta classificação deve-se ao facto da linguagem combinar

características tanto das linguagens de alto como de baixo nível. Foi precisamente devido

a esta particularidade que se decidiu recorrer a esta linguagem de programação nesta

aplicação.

O código desenvolvido, em C++, foi compilado com recurso ao IDE

NetBeans IDE [48]. Esta ferramenta, gratuita e de código aberto, permite desenvolver

softwares nas seguintes linguagens, Java, C, C++, PHP, Groovy, etc.

A principal razão que levou ao uso da ferramenta NetBeans IDE foi a possibilidade

de configurar o compilador do IDE para cross compiler. Tal como é exemplificado na

Figura 4.2, o código fonte é compilado para ser executado numa máquina diferente da

plataforma onde o compilador está a ser executado. Esta técnica permite otimizar o

processo de desenvolvimento da aplicação uma vez que usa os recursos da máquina onde

está instalado o compilador para compilar. Não só estão disponíveis mais recursos para a

compilação, velocidade de processamento e memória, como também se economiza tempo

que não é desperdiçado caso fosse compilado diretamente na máquina alvo.

Figura 4.2 – Representação de cross compiling.

4.2.3. Joomla! e Linguagens HTML e PHP

A interface com o utilizador do sistema é apresentada na forma de aplicação web e

esta pode ser acedida através de um browser. A aplicação web está alojada na

Raspberry Pi e esta funciona como um servidor web. A função do servidor é responder a



pedidos do cliente com páginas HTML que são posteriormente exibidas no browser do

cliente.

Uma vez que a gestão e supervisão de monitorizadores de energia elétrica consiste

num conjunto de tarefas bastantes dinâmicas, não seria possível desenvolver a aplicação

web só em linguagem HTML. A linguagem HTML é interpretada pelos browsers, no

entanto, o seu caracter estático não seria suficiente para obter o dinamismo pretendido.

Foi assim decidido incluir a linguagem de programação PHP em conjunto com HTML.

O PHP é uma das linguagem de programação a que se recorre para desenvolver

aplicações web com conteúdo interativo. O código das páginas web programadas em PHP

é executado no lado do servidor e gera as páginas que são, por sua vez, apresentadas no

lado do cliente.

Esta linguagem é utilizada no sistema de supervisão e gestão de monitorizadores

em diversas situações. Permite processar os dados introduzidos pelo utilizador do sistema,

permite exibir resultados de monitorizações para o utilizador e, faz interface com a base

de dados onde são armazenados os dados relativos às monitorizações. Por último, mas

não menos importante, é também na base de dados que devem ser guardados os comandos

para iniciar ou parar as monitorizações e ainda todos os resultados de monitorizações.

Estes comandos são posteriormente lidos da base de dados pelo programa desenvolvido

em C++ para dar início ao processo de monitorização.

As bases para uma aplicação web dinâmica ficaram definidas com a inclusão da

linguagem PHP em conjunto com a linguagem HTML. No entanto, como último requisito

do sistema, pretendia-se que o aspeto visual da interface com o utilizador fosse agradável

e de fácil utilização. Para dar resposta a esta necessidade foi usado o Joomla! [49].

O Joomla! é um Content Management System (CMS),ou seja, é uma software que

corre num servidor web e sustenta um site que, quando requisitado é enviado para o

browser que o solicitou. A grande vantagem está no facto de que o site que é enviado é

altamente personalizável. O CMS permite publicar, editar e modificar o conteúdo do site.

No contexto desta Dissertação esta característica forneceu imensa flexibilidade ao design

gráfico da aplicação web. Esta particularidade permitiu desenvolver o aspeto gráfico da

aplicação com mais facilidade e, por outro lado, foi possível codificar normalmente o

conteúdo da aplicação web.



4.3. Simulações na FPGA

Existem três módulos essenciais na FPGA, o módulo de “Comunicação exterior”,

o módulo “Monitorizador 1” e “Monitorizador 2”. Os restantes módulos existem para

servir as necessidades dos três módulos principais. O módulo denominado por “Gestão

de dados” permite ler ou escrever nos registos dos respetivos monitorizadores. E, por fim,

cada um dos três principais módulos está ligado a módulos de comunicação. Os meios de

comunicação usados são UART e SPI.

A Figura 4.3 mostra os módulos presentes na FPGA bem como a ligação que fazem

entre si. De seguida serão apresentadas simulações e explicações que comprovam o

funcionamento de cada um dos módulos.

Figura 4.3 – Arquitetura desenvolvida para a FPGA.

Para clarificar, por “monitorizador 1” entende-se sempre o monitorizador baseado

no IC ADE7753 apresentado no Capítulo 3.2. Por sua vez, “monitorizador 2” refere-se ao

monitorizador baseado no sistema distribuído de monitorização de consumos de energia

elétrica apresentado no Capítulo 3.3.



4.3.1. Simulação do Funcionamento do Monitorizador 1

O funcionamento do monitorizador 1 encontra-se representado no algoritmo da

Figura 4.4. O módulo responsável por este monitorizador, sempre que é ativado, fica

responsável por adquirir os valores de tensão, corrente, período, energia ativa e energia

reativa. O início do processo começa com o envio de dezoito registos cuja finalidade é

calibrar o monitorizador e configurar modos de operação. Uma vez configurado, os

parâmetros da rede são lidos em intervalos regulares de 1 segundo. Este intervalo de

tempo corresponde ao tempo necessário para o monitorizador estabilizar os valores lidos.

Figura 4.4 – Representação algoritmica do funcionamento do monitorizador 1.

O funcionamento deste monitorizador pode ser observado na simulação da

Figura 4.5. A figura é um excerto da aplicação ISim onde é mostrado o arranque do

monitorizador na altura em que são enviados os registos com as configurações. O módulo

responsável por este monitorizador teve de ser preparado para comunicar por SPI. Este

género de comunicação necessita de quatro sinais lógicos, o SCLK, MOSI, MISO e

SSEL. A função do SCLK é fornecer o sinal de relógio ao equipamento slave, o sinal

MOSI transporta a informação do equipamento master para o slave, por sua vez o sinal

MISO transporta a informação do slave em direção ao master. Por fim, o sinal SSEL

permite selecionar o equipamento slave com o qual se pretende comunicar.



Devido às características do monitorizador, o módulo da comunicação foi

preparado para suportar os diversos registos do IC ADE7753. Existem 5 diferentes tipos

de registos, estes podem ser de 6, 8, 12, 16, ou 24 bits e podem ser de leitura, escrita ou

ambos.

Figura 4.5 – Simulação do arranque do monitorizador 1.

Na Figura 4.6 estão representados os pedidos dos parâmetros da rede ao

monitorizador. Consegue-se facilmente identificar o pedido do valor de tensão seguido

pelo valor da corrente e, ainda, o início de outro pedido. No caso destes pedidos, pode ser

visto que são ambos de 24 bits.

Após cada leitura o valor correspondente ao registo obtido fica armazenado na

FPGA. Sempre que necessário, os registos podem ser acedidos por outros módulos, por

exemplo, para serem enviados para a Raspberry Pi.

A Figura 4.7 permite visualizar o conjunto das operações efetuadas ao longo do

tempo. Estão identificadas as duas zonas de funcionamento do monitorizador, o arranque

e a segunda zona de funcionamento que está identificada por “pedidos de leitura”. O

arranque é caracterizado pelo envio dos registos de configuração identificado na

simulação como “calibração do monitorizador”. E a zona “pedidos de leitura”

corresponde à zona de funcionamento em que são obtidos os parâmetros da rede. O

intervalo identificado como “intervalo entre amostragens” não corresponde ao espaço de



tempo de 1 segundo. O motivo da discrepância é, contudo, justificável pois em termos

visuais torna a simulação mais fácil de interpretar.

Figura 4.6 – Simulação dos pedidos dos parâmetros da rede.

Figura 4.7 – Visão geral do funcionamento do monitorizador 1.



4.3.2. Simulação do Funcionamento do Monitorizador 2

O modo de funcionamento do monitorizador 2 está esquematizado no algoritmo da

Figura 4.8. Conforme foi explicado no capítulo 3.3, a comunicação com este

monitorizador faz-se através de módulos CC2530EM. Sempre que se pretende usar o

monitorizador a FPGA comunica com o módulo CC2530EM recetor por UART, que, por

sua vez, comunica com o módulo CC2530EM do monitorizador através do protocolo

IEEE 802.15.4 e ZigBee e inicia a monitorização.

Uma vez iniciado o sistema, o módulo da FPGA responsável por este

monitorizador necessita de receber a confirmação de que ambos os módulos CC2530EM

estão a funcionar. Estando confirmado o funcionamento de ambos é, então, enviado para

o monitorizador um sinal para iniciar a monitorização. A partir deste ponto são recebidos

periodicamente os parâmetros sobre a rede elétrica lidos pelo monitorizador. No final,

conforme é programado pelo utilizador, a monitorização termina.

No entanto, uma vez que se trata de uma ligação sem fios, existe a possibilidade de

se perder o sinal entre os módulos CC2530EM resultando na interrupção da comunicação.

Por isso existe um temporizador para que o sistema nunca fique preso num ciclo infinito.

Assim, numa situação de falha na comunicação o processo termina e espera por novas

ordens para reiniciar.

Figura 4.8 – Representação algoritmica do funcionamento do monitorizador 2.



Relativamente às simulações do funcionamento do monitorizador 2, estas podem

ser observada na Figura 4.9, Figura 4.10 e Figura 4.11. O módulo responsável por este

monitorizador está configurado para comunicar por UART. A transferência de dados é

sempre feita em tramas de 10 bits em que 8 bits são relativos aos dados, os dois restantes

são usados para o start bit e stop bit. O baud rate utilizado é 115200.

A simulação representada pela Figura 4.9 permite visualizar o arranque do

monitorizador em que o módulo ZigBee coordinator envia para a FPGA o seu ID de rede.

Os dados de qualquer registo enviado pelo módulo ZigBee coordinator são sempre

precedidos por um byte cuja função é indicar o tipo de dados seguintes. Na situação

apresentada, o valor zero do primeiro byte indica a receção do ID de rede. Ainda pode ser

observado o comando de iniciar o sistema enviado pela FPGA para o monitorizador.

Figura 4.9 – Simulação do arranque do monitorizador 2.

Por sua vez, a Figura 4.10 representa a receção dos últimos bytes enviados pelo

módulo ZigBee. A figura também tem representado o modo como são disponibilizados

os dados armazenados. Sempre que a Raspberry Pi ou outro módulo do sistema necessita

dos dados do monitorizador, este são passados através de um buffer. Pegando no exemplo

da figura, é observada a leitura dos seguintes registos 0x04, 0x05 e 0x06. Para cada um

dos pedidos de leitura é colocado o respetivo conteúdo num buffer. Neste caso, o conteúdo

é de 0x55, 0xAA e 0x02 e é lido pelo módulo que os solicitou.



Figura 4.10 – Simulação do acesso aos registos do monitorizador 2.

A Figura 4.11 tem o intuito de exemplificar o panorama geral da comunicação com

este monitorizador. Periodicamente, o monitorizador envia os dados para a FPGA.

Contrariamente ao monitorizador 1 em que é a FPGA a fazer os pedidos de leitura dos

registos pretendidos. Este monitorizador envia-os automaticamente quando estão prontos.




4.3.3. Simulação da Comunicação entre a Raspberry Pi e a FPGA

A troca de informação entre a Raspberry Pi e os dados dos monitorizadores

armazenados na FPGA é um processo essencial ao sistema. Dada a importância deste

processo o módulo desenvolvido para este propósito teve em consideração uma série de

mecanismos preventivos contra eventuais erros.

A comunicação entre estes dois elementos do sistema faz-se através de UART, o

baud rate utilizado é 115200 e as tramas são constituídas por 11 bits. Destes 11 bits, 8 bits

são de dados, 1 bit é para a paridade e por fim 1 start bit e 1 stop bit. A inclusão do bit da

paridade constitui o primeiro elemento preventivo.

De modo a gerir a troca de dados entre diferentes monitorizadores, sabendo que

cada um é caracterizado por possuir estruturas de dados diferentes, foi necessário

desenvolver um protocolo que permitisse transferir todos os dados necessários ao

funcionamento do sistema. A Tabela 4.1 fornece a estrutura do protocolo de transferênc ia

de dados. O protocolo é adotado quer pela Raspberry Pi, quer pela FPGA para transmit ir

dados.

A primeira trama tem por objetivo informar o recetor da quantidade de dados que

irá receber, e indicar o destino da informação que transporta. De seguida, a segunda trama

indica o tipo de operação e indica qual o registo do monitorizador que se pretende aceder

ou escrever. Depois do envio das duas primeiras tramas são enviados os dados. O número

de tramas relativas a dados varia conforme o género de informação pretendida. O final

acontece quando é enviada a trama contento o byte Carriage return. Se o envio da última

trama coincidir com a posição designada como sendo a última aquando do envio da

primeira trama, a transmissão foi um sucesso. Qualquer outra situação desencadeia uma

resposta que sinaliza o erro na transmissão.

Tabela 4.1 – Protocolo utilizado para comunicar entre a Raspberry Pi e a FPGA.

Número da

Trama Trama de 8 bits Legenda

Trama 1 |1|MMMM|NNN| N – Número de bytes do buffer

M – Monitorizador selecionado

Trama 2 |W|RRRRRRR| W – Tipo de operação (escrita ou leitura)

R – Registo ao qual se pretende aceder

Trama n |DDDDDDDD| D – Dados a transmitir

Trama final |00001101| O último byte é sempre Carriage return



A simulação da Figura 4.12 exemplifica o funcionamento do protocolo acima

descrito. No exemplo apresentado está reproduzido um pedido de leitura ao registo zero

do monitorizador 2. O registo em causa corresponde ao valor eficaz da tensão e é

representado por 24 bits.

Figura 4.12 – Simulação de um pedido de leitura a um registo.

De seguida, a Figura 4.13 demonstra o resultado a esse pedido. Sabendo-se que o

valor da tensão é de 24 bits, os dados são enviados em três blocos de 8 bits. No final, tal

como é esperado, a transmissão termina com o envio do Carriage return.



Figura 4.13 – Simulação de uma resposta após o pedido de leitura.

4.4. Teste dos Softwares Usados na Raspberry Pi

É na Raspberry Pi que ficam os programas responsáveis pela gestão dos

monitorizadores e pelo armazenamento de resultados. Como já foi referido anteriormente,

os três principais programas que correm na Raspberry Pi são o servidor web, o programa

em C++ usado para gerir a comunicação com a FPGA, e a base de dados.

Cada um dos programas teve de ser individualmente testado de modo a garantir a

sua compatibilidade com a Raspberry Pi, pois estes poderiam ser incompatível com o

sistema operativo ou consumir demasiados recursos. O sistema operativo instalado na

Raspberry Pi é o Raspbian [50]. Este sistema é baseado no sistema operativo livre Debian

e foi especialmente otimizado para funcionar na Raspberry Pi. Este possui o kernel na

versão 3.10.25+.

4.4.1. Servidor Web

A interface gráfica do sistema, como já foi dito anteriormente, é fornecida ao

utilizador através de um browser. O servidor web, responsável por enviar ao browser a

informação necessária sobre a aplicação web, é o servidor Apache. Os motivos que

fundamentaram a escolha deste servidor baseiam-se no facto deste ser de uso livre, ou

seja, não é necessário usar licenças para a sua utilização. Em segundo lugar, este servidor



é o mais popular e mais bem-sucedido desde 1996 [51]. O servidor é compatível com

inúmeros sistemas operativos, esta característica multiplataforma foi essencial para

funcionar no sistema operativo Raspbian da Raspberry Pi.

Foi usada a versão 2.2.22 do servidor Apache. Uma vez instalado, o seu

funcionamento pode ser comprovado invocando o seguinte endereço da rede local

correspondente à Raspberry Pi. A página resultante não só permite confirmar o correto

funcionamento do servidor, como também permite consultar inúmeras definições do

servidor. O aspeto da página pode ser observado na Figura 4.14.

Figura 4.14 – Exerto da página de informações sobre o servidor.

Por fim, a interface gráfica foi testada usando-se o software Joomla!. Numa

primeira fase desenvolveram-se apenas páginas de teste bastante genéricas de modo a

testar o correto funcionamento da aplicação web. A Figura 4.15 tem por objetivo expor o

aspeto da ferramenta onde é desenvolvido o conteúdo da aplicação web. Na figura vê-se

um excerto de código HTML. É com o próprio editor da página que é inserido o conteúdo

da página.

Durante os primeiros testes constatou-se, que o conteúdo do site molda-se

automaticamente ao ecrã do computador, tablet ou smartphone. A Figura 4.21 mostra

uma captura de ecrã da aplicação web apresentada pelo navegador do smartphone.



Figura 4.15 – Aspeto visual do modo de edição de conteudos do Joomla!.

Figura 4.16 – Captura de ecrã com a aplicação web a correr no browser do smatphone.

4.4.2. Base de Dados MySQL e phpMyAdmin

De modo a guardar eficientemente todos os dados armazenados na FPGA, surgiu,

naturalmente, a necessidade de se usar uma base de dados. Por isso a base de dados

escolhida foi a MySQL [52]. Os motivos que levaram à escolha deste sistema de gestão

de bases dados foram a sua popularidade e fiabilidade e, por outro lado, por se tratar de

um sistema de código aberto.

Este sítio destina-se aos utilizadores de monitorizadores de energia elétrica desenvolvidos no GEPE. O site encontra-se

sobre desenvolvimento no âmbito da dissertação de mestrado

em “Sistema de Supervisão e Gestão de Energia Elétrica



Durante a fase de testes foi necessário usar uma aplicação chamada phpMyAdmin

cujo propósito é administrar a bases de dados MySQL [53]. Desta forma foi possível criar,

remover e editar as tabelas da base de dados que mais tarde viriam a ser usadas para

guardar os dados relativos às monitorizações. Esta aplicação pode ser útil para algum

utilizador mais experiente pois permite executar queries SQL e editar qualquer campo da

base de dados.

A aplicação phpMyAdmin faz interface com o utilizador através de um browser, o

modo de funcionamento é semelhante ao que se pretende desenvolver para a interface

gráfica. A página principal desta aplicação web é exibida na Figura 4.17.

Por fim, o servidor MySQL instalado possui a versão 5.5.37 e a aplicação

phpMyAdmin tem a versão 3.4.11.1.

Figura 4.17 – Home page da interface da aplicação phpMyAdmin.

4.4.3. Programa de Supervisão e Gestão em C++

Nesta altura já foram apresentadas duas das três aplicações mais importantes que

são executadas na Raspberry Pi, o servidor web e o servidor MySQL. A terceira aplicação

é um programa desenvolvido em C++ cuja função é fazer a ponte entre a aplicação web,

a base de dados e o hardware da Raspberry Pi. A execução deste tipo de aplicação



necessita que a plataforma onde esta é compilada tenha como target o CPU da

Raspberry Pi.

Uma vez desenvolvido, este programa será invocado no arranque da Raspberry Pi

juntamente com o servidor web e servidor MySQL.

4.5. Conclusão

No decorrer deste capítulo foram apresentados todos os ensaios e simulações dos

programas envolvidos no sistema. Devido à grande variedade de programas necessária ao

funcionamento do sistema de supervisão e gestão de monitorizadores de energia elétrica

foi essencial garantir que cada um dos programas envolvidos funcionasse corretamente.

Verificou-se que a Raspberry Pi não sofreu perdas de performance com o

funcionamento em conjunto dos vários softwares instalados. Apenas se detetou um

aumento do tempo de acesso às páginas da aplicação web após ter-se instalado o Joomla!.

No entanto, esta tendência parece estar relacionada com o template usado para o ambiente

gráfico. Como solução foi selecionado um template com um design mais simples de modo

a consumir menos recursos da Raspberry Pi.



CAPÍTULO 5

Implementação do Sistema para Configuração de

Condições Reais de Utilização

5.1. Introdução

Este capítulo tem por objetivo descrever a implementação de todo o software

desenvolvido em torno da Raspberry Pi. Os softwares executados pela Raspberry Pi

foram apresentados e ensaiados no capítulo anterior, neste capítulo será apresentada a

implementação do programa em C++ e a implementação da interface gráfica.

De seguida, é apresentado funcionamento global do sistema. Este é descrito e

apresentado como um todo. A Raspberry Pi é unida à FPGA, e à FPGA são ligados os

monitorizadores, sendo que esta configuração da origem ao sistema de supervisão e

gestão de monitorizadores de energia elétrica.

Este capítulo é iniciado com a descrição do funcionamento do programa de

supervisão e gestão desenvolvido em C++, de seguida, é explicado o modo de

funcionamento do sistema físico, e finalmente, é apresentada a interface gráfica

desenvolvida.

5.2. Programa de Supervisão e Gestão Desenvolvido em C++

O princípio de funcionamento básico do programa de supervisão e gestão

desenvolvido em C++ está representado no algoritmo da Figura 5.1. Para relembrar, este

programa é essencial pois permite interagir com interface GPIO da Raspberry Pi que, por

sua vez, permite comunicar por UART com a FPGA. Sempre que o programa em C++ é

executado, este divide-se em três processos independentes, cada uma das threads é

responsável por uma determinada tarefa.

A primeira thread é relativa ao funcionamento do monitorizador 1, por sua vez, a

segunda thread gere o funcionamento do monitorizador 2. A última thread é responsável

por interpretar os dados que entram pela UART. Supondo que fossem usados mais

monitorizadores, o número de threads seria igual ao número de monitorizadores mais um.



Analisando o algoritmo da figura, pode verificar-se que a thread relativa ao

monitorizador 1 espera um input vindo do utilizador do sistema. Na prática, o que

acontece é que o utilizador, a partir da interface gráfica, preenche um formulário. Esse

formulário contém dados relativos ao tempo de monitorização, taxa de aquisição de dados

dos monitorizadores, hora de início da monitorização, entre outros.

Ao submeter o formulário na interface gráfica são geradas as configurações

relativas ao monitorizador escolhido. São esses mesmos dados que entram para o

programa de supervisão e gestão em C++. As configurações são armazenadas na própria

base de dados do sistema num campo próprio. A thread de cada monitorizador lê

periodicamente a base de dados e verifica se existem configurações para dar início à

monitorização.

Uma vez lidas as configurações, e com base nestas, o programa de supervisão e

gestão em C++ cria uma lista de todos os pedidos de leitura necessários que deverá enviar

para a FPGA. Cada um destes pedidos de leitura resultará no envio para a FPGA de um

comando específico que deverá devolver um dos parâmetros do monitorizador, tal como,

valor da tensão, corrente, frequência da rede, etc. Uma vez criada a lista de pedidos de

leitura necessários para cumprir as ordens dadas pelo utilizador, os pedidos de leitura são

enviados para a FPGA em intervalos de tempo regulares especificados pelo utilizador.

No momento da criação da lista de pedidos necessários é também criada uma lista

com todas as respostas esperadas. Esta lista, respostas esperadas, serve para armazenar os

valores resultantes dos comandos enviados e subsequentemente são inseridos na base de

dados. No momento da sua criação, a lista de respostas possuí todos os campos para as

quais espera um valor. No entanto, estes campos ainda não possuem nenhum valor

atribuído, o valor só é preenchido no momento da receção dos dados. Numa situação

normal, sem erros de comunicação, o último elemento da lista de respostas chega após o

envio do último elemento da lista de pedidos de leitura.

Supondo que, no momento da submissão do formulário, é pedido para monitor izar

um determinado equipamento durante 5 minuto e com uma taxa de leitura a cada minuto.

Esta configuração gera duas listas (listas de pedidos e listas de respostas) com cinco

elementos cada. Os elementos da lista de pedidos correspondem aos parâmetros que se

pretende obter, enquanto, os elementos da lista de respostas correspondem aos valores

físicos vindos dos monitorizadores. Então, a cada minuto, será enviado um pedido de

leitura que resultará na chegada de dados que serão inseridos na lista de respostas. Por

cada pedido são devolvidos os parâmetros da rede naquele momento.



Sabendo que podem acontecer erros na transmissão dos dados, após cada pedido o

programa espera por uma confirmação. Quando um pedido de leitura não obtém resposta

positiva o programa volta a tentar comunicar com a FPGA. Embora a ocorrência de erros

seja um evento raro, o programa faz mais duas tentativas. Se o problema persistir o

programa sinaliza esse pedido de leitura como contendo erros e passa ao seguinte.

Relativamente ao monitorizador 2, o processo de envio e receção de dados faz-se

pelo mesmo princípio do monitorizador 1.

Figura 5.1 – Algoritmo representativo do funcionamento do programa em C++.

A thread referente à escuta da UART tem como função analisar todos os dados a

que a esta chegam. Cada trama recebida é processada de acordo com o seu conteúdo. Os

dados que entram pela thread de escuta da UART são as respostas dos pedidos de leitura

enviados pelas threads dos monitorizadores 1 ou 2. Após serem interpretados e validados

os dados, estes são introduzidos na base de dados MySQL. Ao mesmo tempo, é, também,

enviada uma confirmação à thread que enviou o pedido de leitura que resultou nesta

resposta. Assim, as threads dos respetivos monitorizadores podem prosseguir para os

próximos pedidos de leitura da lista.

Resumindo, a função deste programa é receber os parâmetros introduzidos pelo

utilizador e executá-los em concordância com o seu conteúdo. Por outro lado, os dados



recebidos na Raspberry Pi são interpretados pelo programa e são introduzidos na respetiva

base de dados. Cada monitorizador possui a sua base de dados associada e cada base de

dados é constituída por várias tabelas. As tabelas contêm a informação vinda dos

monitorizadores. Por cada monitorização é criada uma tabela. Assim, o utilizador pode

consultar a informação que pretende de forma organizada. A informação é disponibilizada

ao utilizador quando este, a partir da interface gráfica, consulta os resultados. A interface

gráfica adquire os dados a partir da base de dados e devolve os valores pretendidos.

Durante a fase de implementação e testes usou-se a shell da Raspberry Pi para

verificar o correto funcionamento da aplicação em C++. A Figura 5.2 representa o

funcionamento do programa no momento em que são recebidos valores pela UART.

Ainda nesta figura, pode ser vista a inserção de dados na base de dados. Este processo

faz-se recorrendo a queries SQL.

Figura 5.2 – Excerto do terminal da Raspberry Pi durante a fase de testes.

5.3. Constituição Física do Sistema

Para o sistema funcionar todos os elementos que o constituem deverão ser

corretamente iniciados. A Figura 5.3 representa a constituição dos elementos do sistema

de supervisão e gestão de energia elétrica. Na imagem, podem ser vistos os dois

monitorizadores utilizados, a FPGA e a Raspberry Pi. À Raspberry Pi está ligado por

USB um adaptador wireless que permite que esta fique ligada ao router. Em alternativa,

a Raspberry Pi poderia ser ligada ao router por meio de um cabo de rede.



A FPGA possui ligações com a Raspberry Pi, com o Monitorizador 1, e com o

recetor do Monitorizador 2. O recetor do Monitorizador 2 usado é bastante volumoso no

entanto, isto deve-se ao facto de ser uma versão de teste e debug. Uma versão de tamanho

dito normal seria dez vezes menor.

Sempre que se pretender monitorizar um equipamento é apenas necessário conectar

esse equipamento ao monitorizador.

Figura 5.3 – Vista do elementos do sistema de supervisão e gestão de energia eletrica.

5.4. Descrição da Interface Gráfica do Sistema

A interface gráfica do sistema tem por objetivo permitir ao utilizador usufruir do

sistema com a maior comodidade e simplicidade possível, por isso, esta foi desenvolvida

tendo em conta a sua funcionalidade e aspeto. Uma vez que a interface consiste numa

aplicação web e não num software executável, esta é usada do mesmo modo que se usa

um site normal tal como é mostrado na Figura 5.4. Tal como é habitual nas páginas da

internet, o utilizador apenas necessita de clicar nas hiperligações e preencher formulá r ios

para “navegar” na aplicação.



O acesso à aplicação faz-se introduzindo no browser o endereço IP atribuído à

Raspberry Pi no momento da sua instalação. Após a sua introdução, o browser devolve a

página principal da aplicação. Nesta está uma breve descrição da aplicação bem como

dos monitorizadores suportados pelo sistema.

Figura 5.4 – Aspeto da página principal da aplicação web.

O acesso aos monitorizadores só é possível para utilizadores registados no sistema.

Uma vez iniciada sessão, o utilizador ganha acesso às opções que permitem configurar e

consultar os monitorizadores. Qualquer outro utilizador tem, na mesma, acesso à página

principal e à informação sobre como contactar o gestor da aplicação. O gestor da

aplicação possui as credenciais necessárias para adicionar ou remover utilizadores.

5.4.1. Interface Aplicada à Configuração dos Monitorizadores

Este item tem por objetivo descrever a interface gráfica quando utilizada para

configurar ou programar os monitorizadores do sistema. Devido à semelhança no aspeto



da aplicação, quer em relação ao monitorizador 1 quer ao monitorizador 2, estes serão

apresentados em conjunto. A descrição seguinte pode ser verificada consultando a

Figura 5.5. Quando no menu principal é selecionado o monitorizador 1, a aplicação

devolve uma página com a descrição das funcionalidades do monitor izador. Também

nesta página aparece um novo menu com opões. As opções disponíveis no menu

encaminham o utilizador para as diferentes funcionalidades deste monitorizador.

Figura 5.5 – Apresentação das funcionalidades do monitorizador 1.

A primeira opção do menu, com o nome de “Iniciar monitorização”, devolve a

página exposta na Figura 5.6. Nesta, o utilizador deve selecionar o intervalo de tempo que

pretende usar o monitorizador. Uma vez selecionado esse intervalo, o utilizador deve

selecionar a taxa com que são lidos parâmetros do monitorizador. Esta opção, taxa com

que o sistema faz pedidos aos monitorizadores, tem como principal objetivo reduzir a

quantidade de pacotes trocados nas redes sem fios ZigBee. Em segundo lugar, desta vez

por questões energéticas, o uso constante dos retransmissores acabaria rapidamente com

as baterias ou pilhas destes. A última opção da página permite definir o instante em que

a monitorização deverá começar.



Figura 5.6 – Página de configuração dos parâmetros da monitorização.

Por fim, usando o botão “Submeter”, o formulário é interpretado pelo código PHP

da página e a configuração é armazenada na base de dados. Como foi já foi referido

anteriormente neste capítulo, após a submissão do formulário, o programa de supervisão

e gestão em C++ interpreta os dados introduzidos na base de dados e dá início à

monitorização.

Prosseguindo, sempre que pretendido pelo utilizador, este pode consultar os

resultados das monitorizações. Este tanto pode ver resultados no momento em que estes

são obtidos ou pode consultar resultados anteriores que foram armazenados no sistema.

Para isso deve recorrer à opção “Consultar Resultados” e selecionar o registo pretendido.

A escolha do registo resulta na página correspondente à Figura 5.7, Figura 5.8 e

Figura 5.9. Esta é a página que permite analisar os resultados.



Os resultados mais relevantes são exibidos tanto graficamente como na forma de

texto. Os dados apresentados no gráfico podem ser visto em conjunto, em grupos ou

individualmente, como exemplificado pela Figura 5.7. Estes dados podem também ser

ajustados para serem vistos com diferentes ampliações e escalas de tempo. O gráfico ,

como pode ser visto na Figura 5.8, foi desenvolvido de modo a ser o mais interativo

possível. Esta figura consiste numa montagem gráfica com vários gráficos em vez de um

só. Esta abordagem permite explicitar as diferentes escalas de zoom com que podem ser

apresentados os resultados.

Figura 5.7 – Página de resultados, com opções usadas para analisar os resultados.

O desenvolvimento do gráfico, tal como é apresentado, foi realizado através de uma

ferramenta grátis chamada Google Charts [1]. A ferramenta dispões de vários exemplos

genéricos de gráficos que podem ser usados por programadores. Cada gráfico fornecido

pela ferramenta possui um código exemplo em JavaScript que pode ser embebido na

codificação da página. Neste caso aqui apresentado, começou-se com um simples gráfico

de linhas estático ao qual, gradualmente, foram adicionadas as opções de zoom vertical e

horizontal e carregamento dinâmico dos dados.



Todos os dados apresentados na página foram previamente inseridos na base de

dados pelo programa de supervisão e gestão em C++. Por isso, o código por trás da página

é responsável por consultar a base de dados e extrair a informação necessária para

construir o gráfico. Não só preenche o gráfico como também é criado um pequeno

relatório com os detalhes da monitorização no final da página.

Figura 5.8 – Montagem gráfica da página de resultados, com aspeto dos gráficos interativos para

diferentes opções de visualização e escala.

À semelhança do que acontece no programa em C++ também o código PHP desta

página realiza queries SQL à base de dados. Embora, nesta situação, o objetivo seja

maioritariamente aceder a dados previamente inseridos na base de dados pelo programa

em C++. O uso de queries SQL tem um papel fundamental na obtenção de dados



guardados, no entanto, o verdadeiro poder desta linguagem está na capacidade de, a partir

de informação bruta, cruzar informação e, no final, apresenta-la de forma pormenorizada

e simples.

O final da página, tal como é apresentado pela Figura 5.9, possui um pequeno

relatório na forma de tabelas com informação sobre os resultados da monitorização. O

dinamismo da linguagem PHP junto com o poder das queries SQL, permitem que o

código que constrói estas tabelas se adeque ao tipo de monitorização e às opções

escolhidas pelo utilizador. Isto significa que as tabelas só são criadas se existirem dados

que as sustentem ou consoante as opções selecionadas no início da página pelo utilizador .

Os detalhes aqui mostrados dizem respeito aos valores máximos e mínimos de

tensão e corrente. Na ocorrência de eventos de qualidade de energia tais como sags, swells

ou interrupções no fornecimento de energia estes também são expostos. Por fim, é

apresentado o consumo de energia dos equipamentos que ficaram sob monitorização e o

valor monetário correspondente ao consumo de energia durante a monitorização.

Figura 5.9 – Página de resultados, com relatório com pormenores da monitorização.

O utilizador pode, também, através do menu do monitorizador 1, consultar a base

de dados, através da opção “Consultar Base de Dados”. Esta página é devolvida pela



ferramenta phpMyAdmin e permite ao utilizador gerir manualmente os dados da base de

dados. A Figura 5.10 tem por objetivo mostrar a página devolvida. O uso desta ferramenta

poderá ser útil se surgir a necessidade de analisar algum resultado específico que não

esteja disponível na aplicação web. Através desta ferramenta também é possível realizar

queries SQL à base de dados que não estão disponíveis na aplicação web. Um bom meio

de complementar a informação fornecida pela aplicação web poderá passar pelo uso desta

ferramenta.

As figuras apresentadas neste item dizem maioritariamente respeito ao

monitorizador 1, no entanto, o motivo pelo qual não se fez um estudo detalhado em

relação ao monitorizador 2, deve-se ao facto do modo como foi estruturado o site. Apesar

de existirem diferenças nos monitorizadores e no modo como a informação é processada,

a informação é apresentada ao utilizador nos mesmos moldes.

Figura 5.10 – Exemplo do aspeto da página da plataforma phpMyAdmin.

Para finalizar, para demonstrar as semelhanças no modo como são apresentados os

resultados dos monitorizadores, expôs-se na Figura 5.11 um dos resultados obtidos pelo

monitorizador 2. A figura representa cinco minutos de monitorização em que nas opções

se escolheu visualizar apenas o valor de tensão e frequência. A figura permite, também,



exibir uma das funcionalidades do gráfico que consiste na possibilidade de arrastar o rato

por cima dos dados exibidos e assim saber exatamente o valor em cada um dos pontos. A

página possui, também, um atalho para impressão do conteúdo representado pelo botão

com o símbolo de uma engrenagem. A área impressa corresponde somente à secção da

página preenchida por resultados.

Figura 5.11 – Página de resultados relativa ao monitorizador 2.

5.5. Conclusão

Neste capítulo foram apresentados resultados relativos à implementação dos

softwares que integram a Raspberry Pi.

O programa de supervisão e gestão desenvolvido em C++ permitiu confirmar o

correto funcionamento da comunicação entre a FPGA e a Raspberry Pi, e, ainda, verificar

que a inserção na base de dados dos resultados se fez corretamente.

O conteúdo da interface gráfica foi desenvolvido recorrendo à linguagem HTML

sempre que foi necessário apresentar informação estática. Em situações onde se usou



formulários, ou em páginas interativas, a linguagem por trás da página consiste em PHP.

Apenas na página de resultados foi necessário utilizar JavaScript, mais precisamente, no

desenvolvimento do gráfico interativo.

A página dedicada à exposição dos resultados obtidos pelos monitorizadores é a

página mais complexa. Ao todo, de modo a apresentar corretamente a informação, foram

necessárias as seguintes linguagens de programação, HTML, PHP, queries SQL, e

JavaScript. Embora pesada, o tempo do carregamento da página não é significativamente

diferente das restantes páginas. Apenas se detetou perda de performance na utilização das

funcionalidades do gráfico interativo em situações onde são carregadas monitorizações

com mais de 12 horas. A perda de performance consiste num atraso de resposta do gráfico

quando usadas as opções de zoom vertical ou horizontal onde existem muitos pontos para

representar.

Finalmente, tendo em conta que a máquina que dá suporte ao servidor web (usado

para a interface gráfica e Joomla!), ao servidor MySQL (usado para a base de dados), e

ainda ao programa de supervisão e gestão em C++ consiste apenas numa Raspberry Pi,

os resultados são muito satisfatórios.



CAPÍTULO 6

Testes do Sistema em Condições Reais de Utilização em

Modelo de Rede desenvolvido em Laboratório

6.1. Introdução

O propósito deste capítulo consiste em analisar os dados adquiridos pelos

monitorizadores através do sistema desenvolvido.

Numa primeira fase, são expostos resultados obtidos em laboratório. Estes

resultados têm por objetivo verificar o correto funcionamento do sistema. De forma a

obter resultados diversificados foi usado um modelo de rede desenvolvido em laboratório

em que são gerados determinados eventos de QEE. Os eventos gerados, uma vez

detetados e identificados pelos monitorizadores são apresentados na interface gráfica.

Esta fase inclui testes realizados à comunicação entre os diferentes monitorizadores de

modo a comprovar o seu correto funcionamento.

Numa segunda fase, são analisados casos reais de monitorização de diferentes

equipamentos elétricos.

6.2. Testes da Comunicação entre a FPGA e os Monitorizadores e

com a Raspberry Pi

No item 3 do Capítulo 4, mostraram-se simulações e testbench da comunicação

entre a FPGA e cada um dos monitorizadores utilizados e com a Raspberry Pi. Neste item

será comprovado funcionamento de cada uma das simulações anteriormente

apresentadas. Os resultados dos testes foram obtidos recorrendo a um osciloscópio digita l,

modelo TPS 2024B da marca Tektronix.

6.2.1. Teste da Comunicação entre a FPGA e o Monitorizador 1

Com a intenção de comprovar o funcionamento real da comunicação, fez-se um

teste à comunicação entre a FPGA e o monitorizador. A Figura 6.1 permite visualizar o

momento em que são consecutivamente enviados comandos para o monitorizador.

O canal 1 corresponde ao sinal MOSI, e nele são facilmente identificados seis pedidos de



informação. No canal 2, que corresponde ao sinal MISO, são vistas as respetivas respostas

do monitorizador.


Por sua vez, a Figura 6.2 tem o propósito de expor com pormenor um dos pedidos

enviados ao monitorizador. Este caso consiste no pedido do valor de tensão. Através do

envio do byte 0x17 o monitorizador devolve um valor de 24 bits correspondente ao valor

eficaz da tensão.

Figura 6.2 – Pormenor da leitura do valor de tensão do monitorizador 1.



6.2.2. Teste da Comunicação entre a FPGA e o Monitorizador 2

Do mesmo modo que se procedeu com o monitorizador 1, foi testado o

funcionamento da comunicação entre o monitorizador 2 e a FPGA. A Figura 6.3 mostra o

conjunto de tramas enviadas pelo monitorizador para a FPGA.


Por sua vez, a Figura 6.4 pretende mostrar com detalhe o momento em que se inicia

a comunicação. São facilmente identificados no sinal RxD os 10 bits que constituem as

tramas. O canal TxD não possui quaisquer dados pois este apenas é usado para iniciar ou

terminar o funcionamento do monitorizador.

Figura 6.4 – Pormenor do momento em que se inicia a comunicação.



6.2.3. Teste da Comunicação entre a FPGA e a Raspberry Pi

Para terminar os testes, do mesmo modo que se procedeu com os outros módulos

presentes na FPGA, também a comunicação com a Raspberry Pi foi testada

experimentalmente. A Figura 6.5 tem então o objetivo de confirmar o funcionamento do

módulo. O sinal TxD representa o pedido de informação enviado pela Raspberry Pi. Por

sua vez, o sinal RxD exibe a resposta que é devolvida.

Figura 6.5 – Visão geral de um pedido da Raspberry Pi seguido de resposta.

6.3. Testes Utilizando o Monitorizador 1

Foi possível realizar diversos testes de modo a testar quer a resposta dos

monitorizadores, quer a resposta do sistema de supervisão e gestão. Utilizou-se então o

monitorizador 1 para realizar alguns testes. Os testes aqui apresentados consistem em

situações manualmente induzidas mas que são passiveis de acontecer em ambiente real

fora do laboratório. Para tal usou-se um auto transformador variável ou Variac para variar

o valor de tensão do modelo da rede desenvolvido em laboratório e foram usadas cargas

variadas para simular o consumo de energia.

Uma vez que a interface gráfica já foi apresentada no capítulo 5, os resultados

apresentados nesta secção consistem apenas em excertos retirados da interface. Esta

solução permite realçar a informação importante.

6.3.1. Simulação de um Sag

O evento de QEE aqui representado é o sag (subtensão momentânea da tensão). As

condições que levam ao aparecimento deste evento em condições reais são, por exemplo,



o arranque de motores ou a entrada de equipamentos de grande consumo na rede. A

Figura 6.6 ilustra graficamente o momento em que este evento foi detetado pelo

monitorizador 1. Observa-se que o valor eficaz da tensão sofreu uma redução, e logo de

seguida voltou para o seu valor nominal. Com o auxílio da informação apresentada na

Figura 6.7, o utilizador do sistema pode ainda saber em que intervalo se deu o evento ,

bem como os valores da tensão atingidos nesse instante.

Figura 6.6 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de frequência, registados ao longo do tempo,

com a ocorrência de um sag detetado pelo monitorizador 1.

Este evento foi produzido variando o valor da saída de um Variac, isto é, ligou-se

o monitorizador ao Variac e iniciou-se a monitorização. Conforme é apresentado na

figura, às 11h24, reduziu-se o valor de tensão à saída do Variac e, no mesmo instante,

voltou-se a repor o valor de tensão inicial. Esta alteração repentina do valor de tensão

produziu o sag representado na figura.

Figura 6.7 – Tabelas de resultados relativa ao sag detetado pelo monitorizador 1.

Sag



6.3.2. Simulação de uma Interrupção Momentânea

O evento de QEE representado na Figura 6.8 têm como propósito exemplificar uma

situação de interrupção momentânea do fornecimento de energia elétrica. Através da

análise do gráfico e dos dados representados na Figura 6.9, é facilmente identificado o

intervalo correspondente à interrupção do fornecimento de energia. À semelhança do

exemplo do Sag, nesta situação também está identificado o valor mínimo que a tensão

atingiu, bem como, os instantes em que o evento esteve ativo.

Figura 6.8 – Gráfico com valor eficaz de tensão, com valor de frequência, registados ao longo do tempo,

com a ocorrência de uma interrupção detetada pelo monitorizador 1.

Figura 6.9 – Tabelas de resultados relativa à interrupção detetada pelo monitorizador 1.

Interrupção



6.4. Testes Utilizando o Monitorizador 2

Os testes usando o monitorizador 2 são muito semelhantes aos testes efetuados com

o monitorizador 1. Serão demonstrados dois eventos de QEE. Mais uma vez, usou-se o

Variac para induzir os eventos.

6.4.1. Simulação de uma Subtensão e Swell

Este teste teve por objetivo introduzir dois eventos de QEE no período de

monitorização representado pela Figura 6.10. A figura ilustra uma subtensão seguida de

um swell (sobretensões momentânea da tensão). As condições que levam ao aparecimento

deste evento em condições reais são causadas pela saída de grandes cargas da rede, como

por exemplo motores de elevada potência.

Para simular uma subtensão, reduziu-se o valor eficaz da tensão abaixo de 10% da

tensão de referência durante um intervalo superior a 1 minuto.

Recorrendo ao Variac, reduziu-se o valor eficaz da tensão abaixo dos 10% do seu

valor nominal durante 2 minutos. Após os 2 minutos foi reposto o valor da tensão inic ia l

no Variac. O evento pode ser observado no gráfico a partir das 10h46.

Numa segunda fase fez-se uma alteração repentina ao valor de tensão do Variac de

modo a produzir um Swell. Este foi produzido aumentando o valor de tensão à saída do

Variac e, no mesmo instante, voltou-se a repor o valor de tensão inicial.

Figura 6.10 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo do

tempo, com a ocorrência de uma subtensão seguida de swell detetados pelo

monitorizador 2.

Subtensão

Swell



Por sua vez, na Figura 6.11, estão identificados os momentos em que cada um dos

eventos ocorreu, bem como detalhes relativos aos valores alcançados pela tensão.

Figura 6.11 – Tabelas de resultados relativa à subtensão e swell detetados pelo monitorizador 2.

6.4.2. Simulação de Sag Seguido de Interrupção do Fornecimento de Energia

A situação que se segue, representada pela Figura 6.12, mostra a reação do

monitorizador 2 numa situação de interrupção do fornecimento de energia. Neste caso,

usou-se o Variac para diminuir ligeiramente a tensão, e, de seguida, desligar

completamente a alimentação. Após se desligar a alimentação, esta voltou a ser ligada,

fazendo com que voltasse ao seu valor nominal.



Figura 6.12 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência, registados ao longo do

tempo, com a ocorrência de um sag seguido de uma interrupção detetados pelo

monitorizador 2.

Este procedimento resultou nos dados apresentados na Figura 6.13. Com base nos

dados apresentados, é possível identificar um Sag no momento antes e depois da

interrupção.

Figura 6.13 – Tabelas de resultados relativos à interrupção detetada pelo monitorizador 2.

6.5. Resultados Obtidos da Monitorização de Equipamentos

Nesta secção serão apresentados resultados obtidos através da monitorização de

equipamentos reais. Ou seja, os resultados seguintes não foram manipulados de modo a

refletir um determinado evento. Serão apresentados e analisados três resultados de

monitorizações.

Sag

Sag

Interrupção



6.5.1. Monitorização do Consumo Energético de um Computador Portátil

O resultado da monitorização de um computador portátil, durante uma hora, está

representado na Figura 6.14. O objetivo desta monitorização consiste em analisar a

energia consumida em três alturas distintas de uso do computador. A figura reflete o

consumo de energia durante três fases distintas de utilização. Numa primeira fase,

identificada pela primeira seta azul, é possível observar um período de baixo consumo de

energia, consequente da baixa atividade no computador portátil. Numa segunda fase, de

forte atividade, representada pela segunda seta azul, são observáveis vários picos de

consumo de energia. Por último, até ao final da monitorização, o computador portátil

voltou a um estado de baixa atividade, representado pela terceira seta azul.

Figura 6.14 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência, registado ao longo do tempo,

correspondente à monitorização de um computador portátil.

Com o auxílio da Figura 6.15, é possível obter uma série de informação relevante.

Por exemplo, a potência usada pelo computador durante o período de inatividade ronda

os 36 W, no entanto, em atividade esse valor mais que duplica.

Esta figura também permite analisar a presença/ausência de eventos de QEE. Neste

caso não foi detetado nenhum evento.

Por fim, é possível avaliar o custo da energia consumida. Neste exemplo, o custo

da energia consumida pode parecer insignificante, no entanto, trata-se de uma

monitorização com a duração de apenas uma hora. Se este computador estivesse ligado

em permanência, e com um perfil de consumo semelhante ao monitorizado, o custo

mensal associado a este seria de aproximadamente de 6 euros.

Baixa

Atividad

e

Alta

Atividad

e

Baixa

Ativida

de



Figura 6.15 – Tabela de resultados relativa à monitorização do computador portátil.

6.5.2. Monitorização do Consumo Energético de um Frigorífico Mini Bar

Nesta monitorização, representada pela Figura 6.16, pretendeu-se analisar o

comportamento de um frigorífico mini bar. O monitorizador foi programado para

monitorizar este pequeno frigorífico durante 24 horas.

A análise da figura permite visualizar o perfil de consumo do eletrodoméstico.

Durante as primeiras 6 horas de funcionamento o mini bar teve um comportamento de

“liga” e “desliga” com intervalos regulares bem definidos. Por volta das 21:00 foram

adicionados diversos produtos alimentares. Esta ação resultou na alteração do

comportamento do mini bar.

De modo a compensar o desequilibro térmico causado pela adição dos produtos

alimentares, o funcionamento do mini bar alterou-se e este foi ativado com mais

frequência. No entanto, com o passar do tempo, este voltou a funcionar do mesmo modo

como registado no início da monitorização, pois corrigiu o desequilíbrio térmico.



Figura 6.16 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valores de frequência e potência ativa, registados

ao longo do tempo, correspondente à monitorização de um frigorifico mini bar.

Ainda relativamente ao funcionamento do mini bar, tem-se a Figura 6.17, que

permite analisar o custo associado ao funcionamento deste equipamento.

Figura 6.17 – Tabela de resultados relativa à monitorização de um frigorifico mini bar.

Neste caso, este equipamento consome 0,95 kWh por dia, o que se traduz num gasto

de cerca de 22 cêntimos por dia. Uma vez que se trata de um equipamento ligado em

permanência à rede elétrica, conclui-se facilmente que o gasto mensal seria de

aproximadamente 6,50 euros.

Desequilíbrio térmico



6.5.3. Monitorização do consumo energético de um Termo Ventilador

A monitorização apresentada neste item consiste em cinco minutos de

monitorização de um termo ventilador. Nesta monitorização alterou-se o modo de

funcionamento do termo ventilador a cada minuto. A Figura 6.18 tem por propósito

exemplificar os resultados obtidos em termos de potência consumida. No primeiro

minuto, apenas se usou o modo ventilador, sem produção de calor. No segundo minuto,

acionou-se o primeiro nível de potência, e ao fim de mais um minuto, acionou-se o

segundo nível de potência. A partir deste momento, o procedimento foi diminuir o

consumo do aparelho de minuto em minuto até terminar a monitorização.

Figura 6.18 – Gráfico com valor eficaz de tensão, e com valor de potência ativa, registados ao longo do

tempo, correspondente ao consumo de potência pelo termo ventilador nos diferentes

estágios de funcionamento.

Através da análise da Figura 6.19, em que se vêem as curvas relativas à evolução

da corrente consumida e da variação do fator de potência, é possível identificar as zonas

em que o termo ventilador funcionou apenas no modo de ventilador. O baixo valor do

F.P. evidência a presença do funcionamento de um equipamento indutivo. Este

comportamento faz todo sentido, e deve-se ao facto de que, neste modo de

funcionamento, a componente indutiva é suficientemente significativa para afetar o valor

do F.P. No entanto, nos outros modos de funcionamento, a componente indutiva

relativamente à componente resistiva é tão insignificante que o F.P. acaba por ser unitár io.

A informação sobre o F.P. é útil no setor industrial pois estes pagam por potência

reativa, logo é do interesse das indústrias manter o F.P. o mais próximo possível da



unidade. Atualmente, relativamente ao setor residencial, não é cobrada a potência reativa

consumida, no entanto, no futuro, esta situação poderá mudar.

Figura 6.19 – Gráfico com valor eficaz de corrente, e com valor de fator de potência, registado ao longo

do tempo, correspondente à análise da corrente consumida e variação do FP nos diferentes estágios de

funcionamento do termo ventilador.

Por fim, por meio da Figura 6.20, pode ser vista a gama de valores correspondente

ao estágio de menor e maior consumo do termo ventilador. O modo de funcionamento no

modo ventilador consome uns meros 27 W, contudo, quando usado na sua máxima

potência, o termo ventilador consome aproximadamente 2000 W. Pela análise dos valores

de corrente consumida também se evidencia o perigo associado a estes equipamentos em

habitações antigas. Uma habitação cuja instalação elétrica foi mal dimensionada pode não

suportar este tipo de equipamento. Por exemplo, se a secção dos cabos elétricos não for

suficiente para suportar correntes elevadas, o cabo poderá aquecer e provocar um

incendio.



Figura 6.20 – Tabela de resultados relativa à monitorização de um termo ventilador.

6.6. Conclusão

Neste capítulo foram apresentados os resultados obtidos através dos

monitorizadores do sistema. Os testes efetuados têm como objetivo verificar as

capacidades dos monitorizadores em analisar os parâmetros da rede e verificar se os

resultados são corretamente exibidos para o utilizador. No entanto, o verdadeiro objetivo

deste capítulo é demonstrar a importância dos sistemas de monitorização de energia

elétrica.

Através dos testes realizados, por exemplo, na fase de simulação de eventos de

QEE, verificou-se que os monitorizadores são capazes de detetar essas anomalias e que

esses eventos são bem identificados na página dos resultados.

Relativamente aos testes efetuados com a monitorização de equipamentos elétricos,

verificou-se que quer em monitorizações de curta ou longa duração, os resultados são

corretamente apresentados ao utilizador.

O resultado mais importante dos testes efetuados consiste no poder que a

informação colhida dá ao utilizador do sistema. O facto de que, para cada monitorização

realizada, está disponível o perfil de consumo de energia e o custo associado a esse

consumo do equipamento, permite tomar consciência sobre o futuro desses equipamentos.



CAPÍTULO 7

Conclusão

7.1. Conclusões

O trabalho de Dissertação de Mestrado apresentado neste documento descreve

todo o processo do desenvolvimento do sistema de gestão e supervisão de

monitorizadores de energia elétrica. Em cada uma das etapas da conceção do sistema

adquiriu-se novos conhecimentos e solucionaram-se as dificuldades encontradas. Por

isso, com base na experiencia obtida durante o desenvolvimento da Dissertação são

apresentadas de seguidas uma série de conclusões.

No Capítulo 2 foram apresentados alguns sistemas de monitorização presentes no

mercado. Com base na análise destes sistemas verificou-se, com satisfação, que existe

lugar no mercado para estes produtos. A tecnologia evoluiu no sentido em que o aspeto e

tamanho destes sistemas passe despercebido na paisagem doméstica onde estes são

habitualmente instalados. Contudo, o valor pelo qual se pode adquirir um destes sistemas

de monitorização ainda é elevado para a grande maioria da população.

No Capítulo 3 foi apresentada a arquitetura do sistema desenvolvido. O objetivo

por trás de cada decisão na arquitetura do sistema foi sempre garantir que o sistema fosse

dinâmico. O dinamismo pretendido traduz-se na possibilidade de atualizar o sistema tanto

em hardware como em software, de adicionar novos monitorizadores ao sistema e de

alterar as funcionalidades da interface gráfica. Daí ter-se decidido usar uma FPGA para

implementar os módulos de controlo dos monitorizadores. Esta decisão revelou ser de

extrema utilidade pois permitiu desenvolver os módulos de controlo dos respetivos

monitorizadores independentemente uns dos outros, e, por fim, ao reuni-los, e constatar

o funcionamento dos mesmos. Um último módulo, responsável pela comunicação com a

Raspberry Pi, também foi adicionado sendo que este funcionou conforme planeado.

Em suma, a característica modular adicionou flexibilidade ao sistema pois cada

um dos módulos usados pode ser alterado ou eliminado, mas não só. Outros módulos para



o controlo de outros monitorizadores, ou para outras finalidades podem ser adicionados

ao sistema atual sem a necessidade de realizar alterações significativas ao sistema.

Relativamente ao ambiente gráfico e à parte de gestão de dados e supervisão dos

monitorizadores soube-se, desde início, que a FPGA disponível para este projeto não

possuía as características desejáveis para implementar uma interface adequada para o

sistema. Daí, ter-se decidido implementar o ambiente gráfico recorrendo a uma

Raspberry Pi.

No planeamento da interface gráfica para com os utilizadores do sistema, também

se manteve como critério o dinamismo presente na etapa anterior. A principal decisão

tomada nesta etapa consistiu em garantir que o utilizador pudesse aceder ao sistema com

total flexibilidade a partir de um browser onde quer que fosse a sua localização. Esta

decisão tornou o sistema muito mais interessante e de encontro à tendência atual dos

sistemas de monitorização. No entanto, esta solução requer uma ligação à internet quer

no local de instalação do sistema quer pelo utilizador. Apesar disso, o sistema é acessível

localmente mesmo sem ligação à internet. A entrada no mundo da internet também

implica a análise de questões de segurança envolvidas. Uma vez que o tempo para a

realização deste trabalho é escaço não foi possível fazer um estudo sobre que medidas de

segurança seriam mais adequadas para um sistema deste género.

No Capítulo 4 são demonstrados os primeiros resultados simulados e práticos

relativos ao funcionamento dos módulos de controlo dos respetivos monitorizadores. Os

resultados vão de encontro com os critérios definidos na fase de planeamento. É também

neste capítulo que se testaram os software necessários ao funcionamento da interface

gráfica. A fase de testes foi uma fase delicada pois não se sabia até que ponto a

Raspberry Pi seria compatível com os software nela instalados e se seria capaz de

processar toda a informação em tempo útil. No final da fase de testes não se tinha detetado

nenhuma perda de performance ou incompatibilidade dos softwares instalados.

No Capítulo 5 é descrito o funcionamento do programa de supervisão e gestão

desenvolvido em C++. Este programa foi necessário para fazer a ligação entre os

diferentes softwares (servidor web, servidor MySQL) que correm na Raspberry Pi e o

hardware desta placa. Com este programa foi possível interagir com a base de dados

através de queries SQL, quer para ler comandos inseridos pela interface gráfica, quer para

preencher a base de dados com a informação vinda dos monitorizadores. Nesta etapa do

desenvolvimento do sistema não se detetou nenhuma anomalia ou perda de performance,



contudo, quando se finalizou a interface gráfica verificou-se que existia uma forte

demanda de processamento por parte do servidor web.

No final do Capítulo 5 é demonstrada a interface gráfica do sistema, foi nesta fase

do desenvolvimento do sistema que se verificou o principal problema, o carregamento

das páginas estava demasiado lento pois exigia demasiado processamento à Raspberry Pi.

O problema foi rapidamente solucionado através da simplificação do design gráfico da

página. No final, conseguiu-se na mesma desenvolver uma interface gráfica apelativa e

cuidada mas mais simples de modo a consumir menos recursos.

O final do Capítulo 5 consiste num guia da utilização do sistema em que se

demonstra que a utilização do sistema faz-se do mesmo modo que navegar na web, através

de links, clicks e pelo preenchimento de formulários. Esta forma de interagir com as

funcionalidades do sistema é intuitiva, e não requer que o utilizador tenha de adquirir

novos conhecimentos desde que este esteja familiarizado com o uso da internet.

Por último, o Capítulo 6 é dedicado a testes do sistema. Os testes realizados

tiveram como objetivo testar individualmente cada monitorizador, testar determinados

eventos produzidos em laboratório para verificar se estes eram corretamente identificados

e, por fim, realizaram-se monitorizações a diversos equipamentos e analisaram-se os

resultados. Verificou-se que o sistema foi capaz de obter os dados de ambos os

monitorizadores e posteriormente exibi-los na interface gráfica tal como pretendido.

Os testes realizados demonstram o funcionamento global do sistema de supervisão

e gestão, mas é a capacidade de interpretar resultados obtidos que realmente dá valor ao

sistema desenvolvido, pois este permite identificar a existência de situações anómalas,

visualizar perfis de consumo, fazer previsões de custo, comparar resultados, etc. Embora

este sistema já possua algumas funcionalidades interessantes, podem ainda ser

desenvolvidas e incorporadas inúmeras outras.

O método de acesso remoto ao sistema revelou ser de extrema utilidade. Não só

permite que os utilizadores finais usufruam da plataforma a partir de qualquer lugar com

acesso à internet, como também será útil numa fase futura de manutenção e upgrade da

plataforma. Este método de acesso à plataforma é uma das mais valias deste sistema pois

implica apenas a instalação de um browser no equipamento do utilizador, contudo, este

software vêm incluído com a maioria dos sistemas operativos.



7.2. Sugestões para Trabalho Futuro

Como trabalho futuro existem ainda uma série de melhorias e modificações que

podem ser feitas ao sistema apresentado. As melhorias aqui propostas para trabalho futuro

não foram implementadas pois o tempo atribuído ao desenvolvimento da Dissertação é

limitado.

Uma vez que o sistema desenvolvido já foi pensado para permitir a adição de

melhorias ou de novos módulos para outras aplicações, seria interessante desenvolver um

módulo para a FPGA cuja função fosse atuar sobre eventos de QEE. Isto é, com base na

informação obtida pelos monitorizadores do sistema, sempre que fosse detetado um

evento com potencial prejudicial para equipamentos da rede elétrica, este módulo poderia

desencadear uma resposta automática que poderia eventualmente passar pela remoção de

cargas sensíveis da rede.

Outro trabalho que poderia ser realizado de modo a complementar o sistema atual

seria adicionar o monitorizador apresentado no Capítulo 2 denominado por Monitorizador

da Qualidade da Energia Elétrica (MQEE). Os dados deste monitorizador são acessíveis

por ethernet, logo, se este monitorizador estiver na mesma rede que o sistema de

supervisão e gestão, seria possível obter os seus registos e apresentá-los através da

interface gráfica. Como trabalho a realizar, seria apenas necessário adicionar

funcionalidades ao nível da aplicação web de modo a reconhecer o monitorizador. O

restante trabalho consistiria em apresentar os parâmetros devolvidos pelo MQEE.

Relativamente à interface gráfica, existe uma série de funcionalidades que podem

ser adicionadas. Por exemplo, seria interessante desenvolver simuladores de consumo em

que o utilizador pudesse introduzir determinados parâmetros e visualizar o resultado ou,

até mesmo, comparar vários resultados simultaneamente. Ainda na interface gráfica,

podem ser adicionados outros sistemas de monitorização, como por exemplo,

temperatura, humidade, velocidade do vento, etc. Qualquer alteração ou adição de

conteúdo na interface gráfica não implica a realização de grandes mudanças no conteúdo

pré-existente.

Por fim, um ponto importante que deve ser revisto consiste na segurança da

aplicação web. Esta é suportada por um servidor web Apache cujo protocolo de

hospedagem é HTTP. Como trabalho futuro seria importante estudar a possibilidade de

migrar do protocolo de comunicação HTTP para HTTPS (Hypertext Transfer Protocol

Secure) pois este último oferece maior segurança contra ataques à plataforma.



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