MEDIÇÃO DE ENERGIA COM REDE DE SENSORES SEM FIO · para medição de consumo de energia em redes ... que é decorrente de toda a energia que resulta em trabalho real em ... de desenvolvimento

Anais do XVIII Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178

Anais do III Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420

24 e 25 de setembro de 2013

MEDIÇÃO DE ENERGIA COM REDE DE SENSORES SEM FIO

Carolina Fernandes Frangeto Pontifícia Universidade Católica de Campinas

CEATEC [email protected]

Alexandre de Assis Mota Eficiência Energética – Gerenciamento de Redes de Teleinformática Planejamento Integrado e Gestão de

Sistemas de Infraestrutura Urbana - CEATEC [email protected]

Resumo: Este trabalho, em caráter de renovação, tem como objetivo desenvolver um protótipo que poderá ser utilizado para o monitoramento de potência elétrica em dispositivos conectados à rede de baixa tensão, através de uma arquitetura de rede de sensores sem fio, configurando-se como uma “smart-grid” de pe-queno porte para medição inteligente de energia.

Palavras-chave: Sensores sem fio, Identificação não Intrusiva, Medição Inteligente de Energia.

1. INTRODUÇÃO

Com o grande aumento do uso de equipamentos de telecomunicações hoje em dia, torna-se pertinente a quantificação do consumo de energia desses equi-pamentos. Esse consumo de energia pode estar dire-tamente ligado à qualidade da rede na qual se trans-fere os dados e características de desempenho da rede como, por exemplo, relação sinal-ruído, perda de pacotes e necessidade de retransmissão de da-dos, dessa maneira pode haver um aumento do con-sumo de energia necessário para a realização da troca de informações. Dada a sua grande utilização nas redes atuais, esse plano de Iniciação Científica tem como objetivo a elaboração de um medidor de energia para implementar um sistema sem fio para monitoramento do consumo de energia. Para isso temos como objetivo, obtermos uma medida em Watts fazendo a junção dos dois sensores, por meio da programação do micro controlador, que multiplica-ra o valor de tensão pelo de corrente, por tanto colo-caremos as duas saídas desses valores nas entra-das de um micro controlador.

2. METODOLOGIA

2.1. Sensor de Tensão

Foi utilizado um protótipo desenvolvido num trabalho de iniciação cientifica anterior (Sensor Eletrônico de

Tensão para medição inteligente de Energia Elétrica – por Carolina Fernandes Frangeto), mas no qual foram necessárias algumas alterações:

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

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

Figura 1 - Tensão de Ripple.

Foi incluído um diodo zenner, com tensão de 3,3 volts, para proteção, não permitindo ten-sões acima de 3,3volts na entrada do micro-controlador.

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

A figura 2 apresenta o diagrama esquemático da fonte de tensão simétrica. Já a figura 3 mostra o es-quemático do medidor de energia, com o sensor de tensão e o sensor de corrente.




Figura 2 - Esquemático do protótipo da fonte simétrica.

Figura 3 - Esquemático medidor de energia, sensor de tensão e o

sensor de corrente.

2.2. Sensor de Corrente

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

Figura 4 - Sensor de corrente ACS712A.

2.3. Potência

Os cálculos da potência são feitos a partir do produto de duas grandezas físicas, tensão e corrente. Para este projeto foi levado em conta apenas a potência

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

(1)

2.4. Radiuino

O radiuino é uma plataforma livre para criação de rede de sensores sem fio (RSSF), contemplando hardware, firmware e software, e baseado na plata-forma Arduino. A comunidade de desenvolvimento tem por objetivo criar aplicações de fácil utilização para construção de (RSSF) de forma amigável. A ideia é permitir que pessoas, mesmo sem grande experiência em programação, consigam montar sua solução de rede de sensores.O hardware nada mais é do que um Arduino integrado a um transceptor CC1101 da Texas Instruments e controlado por um microcontrolador ATMEGA 328 da Atmel. Os testes iniciais da plataforma se deram em 2010 utilizando um Arduino Duemilanove conectado a um shield com o transceptor CC1101 (Figura 5).

Figura 5 - Sensores sem fio rodando Radiuino.

2.5. Software

A plataforma Radiuino utiliza a IDE do Arduino. Por-tanto, todas as facilidades permitidas pelo ambiente de desenvolvimento do Arduino podem ser utilizadas nos desenvolvimentos com o Radiuino. O firmware foi estruturado em camadas de protocolo, semelhan-te ao TCP/IP, com 5 camadas. Desta forma o desen-volvedor poderá identificar qual a função que deseja trabalhar e implementar seu código na camada ade-quada (Radiuino.cc, 2014). Exemplos são apresen-tados na figura 6.




Figura 6 - Código de programação do Radiuino na base e no sensor.

2.6. Arduino

Trata-se de uma plataforma de prototipagem de hardware livre baseada no microcontrolador Atme-ga328. A linguagem usada na programação é C/C++. Tem como diferencial o desenvolvimento e aperfei-çoamento de software e hardware por uma comuni-dade que divulga seus códigos de forma livre, num sistema open-source. O modelo utilizado foi o Ardui-no UNO que é aconselhável para quem está inician-do os trabalhos com a plataforma, é um dos modelos em que está mais em conta para aquisição. É possí-vel realizar diversos projetos com ele, desde que não necessitem de várias portas.

3. RESULTADOS

3.1 testes com sensor de tensão

Esse teste em bancada foi conduzido com o sensor de tensão após as alterações, com a inclusão do di-odo Zenner para proteção, alteração dos resistores divisores de tensão, para reduzir a tensão até no má-ximo para 3 volts, e a substituição do capacitor do filtro capacitivo para um de 2200uF, pois estava com Ripple excessivo. Como é possível ver nas figuras 7 e 8, a onda ficou totalmente retificada e sem a tensão de Ripple.

3.2 Teste com sensor de corrente

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

3.3 Testes com arduino

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

3.4 Testes com Radiuino

Os testes foram iniciados, porém não totalmente concluídos. Puderam ser comprovadas as condições de transmissão sem fio e cálculo da potência/energia no microcontrolador, mas não houve tempo hábil pa-ra implementar as funções de controle. As figuras 12 e 13 ilustram esses testes e a calibração realizados.

Figura 7 - Teste em bancada com o sensor de tensão juntamente com o protótipo da fonte simétrica de +12 e -12 volts.

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




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

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

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

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

Figura 13 - Calibração do código do sensor de corrente para o Radiuino.

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS

A partir do sensor de tensão (figura 14) foi possível medir a tensão necessária para se obter o valor da energia consumida, usando o produto dos valores obtidos do sensor de tensão juntamente com o sen-sor de corrente. A tabela 1 foi obtida a partir do teste com o resistor variável, medindo a tensão na entra-da, que seria a rede sendo variada através do resis-tor variável, e a tensão na saída (figura 15). A partir desses dados, foi obtida uma curva dos resultados das medições (figura 16). Com esse gráfico da curva de resposta da tensão medida e do gráfico das medi-ções de corrente, pode-se obter a equação da reta e definir um padrão de proporcionalidade entre a uma tensão de entrada (0 a 220 volts) e a tensão de saída (0 a 3 volts) e, com isso, torna-se possível medir o consumo de energia.

Figura 14 - Esquemático do medidor de tensão parcial.




Figura 15 -Teste do sensor de tensão com resistor variável.

Tabela 1 - Tabela de valores de tensão de entrada e saída.

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

Figura 16 - Gráfico E-S do transdutor de tensão.

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

5. CONCLUSÃO

Pode-se concluir que é possível medir o consumo de energia com rede de sensores sem fio com com o Radiuino, ou fazer a medição com qualquer outro microcontrolador que opere com tensão de até 3 volts. Considera-se que a continuidade concedida nesse trabalho de iniciação cientifica foi fundamental para a conclusão do trabalho.

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Professor Dr. Alexandre de Assis Mota pela oportunidade e apoio como orientador, aos fun-cionários do laboratório do CEATEC, Técnico Daniel Braga por toda contribuição, e aos colegas do grupo de pesquisa.

REFERÊNCIAS

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

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

[3] BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. “Instru-mentação e Fundamentos de Medidas”. 2ª Edição. Vol. 1. Editora LTC. 2010.

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




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

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

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

Documents

MEDIÇÃO DE ENERGIA COM REDE DE SENSORES SEM FIO · para medição de consumo de energia em redes ... que é decorrente de toda a energia que resulta em trabalho real em ... de desenvolvimento