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UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
DOUGLAS ROBERSON DE BRITO
Sistema de Monitoração e Gerenciamento do Consumo Elétrico
Residencial Utilizando a Malha Elétrica para Comunicação
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Curso Superior de Engenharia da
Computação da Universidade Positivo como
requisito parcial para obtenção do título de
Engenheiro da Computação
Prof. Amarildo Geraldo Reichel
Orientador
Curitiba, 09 de novembro de 2009.
UNIVERSIDADE POSITIVO
Reitor: Prof. Oriovisto Guimarães
Vice-Reitor: Prof. José Pio Martins
Pró-Reitor de Graduação: Prof. Renato Casagrande
Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas: Prof. Marcos José Tozzi
Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Edson Pedro Ferlin
TERMO DE APROVAÇÃO
Douglas Roberson de Brito
Sistema de Monitoração e Gerenciamento do Consumo Elétrico Residencial
Utilizando a Malha Elétrica para Comunicação
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso Engenharia da
Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. Amarildo Geraldo Reichel (Orientador)
Prof. Edson Pedro Ferlin (Membro)
Prof. Mauricio Perretto (Membro)
Curitiba, 09 de novembro de 2009
Agradecimentos
Para desenvolvimento desta monografia, algumas pessoas foram de suma
importância. Em primeiro lugar, agradeço a Deus que me deu o dom da vida e
habilidades para que eu conseguisse chegar a conclusão deste curso. Aos participantes
do governo responsáveis pela criação do programa Universidade para Todos
(PROUNI), já que com este projeto estou me formando e muitas outras pessoas também
o fazem.
Minha família que me deu e dá base pra ser o que sou hoje. Aos meus pais,
Wanderley e Marlene, só tenho a agradecer por terem me educado e guiado até onde
estou, além de terem me proporcionado tudo que preciso para sobreviver.
Às minhas irmãs e irmão que sempre estão ao meu lado caso precise, aos meus
amigos e colegas que sempre me responderam quando precisei de uma força e a minha
namorada e futura esposa, Renata de Freitas Ferreira, que nos momento de desânimo e
cansaço era a pessoa ao meu lado me dando força e ânimo para continuar.
E por último, mas nem por isso menos importante, agradeço ao meu orientador
Amarildo Geraldo Reichel que me auxiliou durante este último ano de faculdade me
ajudando a trilhar os caminhos deste projeto até a sua conclusão.
Por fim, agradeço a todos que de alguma forma me proporcionaram algum tipo de
auxílio para a realização deste trabalho.
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .............................................................. 8
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... 9
LISTA DE TABELAS ............................................................................................ 10
LISTA DE EQUAÇÕES ........................................................................................ 11
RESUMO ................................................................................................................. 12
ABSTRACT ............................................................................................................. 13
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................... 16
2.1 Power Line Communication (PLC) .............................................................. 16
2.2 A comunicação pela rede elétrica ................................................................ 17 2.1.1 Modulação .............................................................................................. 17
2.2.1.1 Modulação de onda contínua .............................................................. 17
2.2.2 Multiplexação do sinal ........................................................................... 20
2.3 Banco de dados SQL SERVER ................................................................... 22
2.4 Linguagem de programação C Sharp (c#) .................................................. 22
3 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA ........................................................................ 24
3.1 Análise do Contexto ...................................................................................... 24 3.1.1 Descrição do objeto de desenvolvimento ............................................... 24
3.1.2 Descrição do sistema .............................................................................. 24
Descrição de módulo de coleta de dados .................................................................. 24
Descrição do módulo de comunicação ..................................................................... 24
Descrição Central de Controle de dados ................................................................... 24
Descrição do Software .............................................................................................. 24
3.1.3 Descrição das Interfaces ......................................................................... 24
Interface Central de controle – Coletores de dados ................................................. 24
Interface de comunicação Serial ............................................................................... 25
3.1.4 Descrição de Condições Restritivas ....................................................... 25
Restrição de Custos ................................................................................................... 25
Restrição de recursos ................................................................................................ 25
Restrição mecânica ................................................................................................... 25
Restrições de ambiente ............................................................................................. 25
Condições tecnológicas ............................................................................................. 25
Condições de Interferências Elétricas ....................................................................... 25
3.1.5 Descrição dos Benefícios Esperados ...................................................... 26
Benefícios econômicos ............................................................................................. 26
Benefícios ecológicos ............................................................................................... 26
3.1.6 Análise Funcional ................................................................................... 26
Funções de comunicação .......................................................................................... 26
Funções de processamento de informação ................................................................ 26
Funções de controle automático ............................................................................... 26
Funções de interface homem/máquina...................................................................... 26
Funções de aquisição de dados ................................................................................. 26
3.1.7 Análise de Requisitos ............................................................................. 27
Funcionalidade .......................................................................................................... 27
Confiabilidade ........................................................................................................... 27
Usabilidade ............................................................................................................... 27
Eficiência .................................................................................................................. 27
Mantenebilidade ........................................................................................................ 27
Portabilidade ............................................................................................................. 27
3.1.8 Análise de Arquitetura: ........................................................................... 27
Hardware ................................................................................................................... 27
4 PROJETO ......................................................................................................... 29
4.1 Descrição Geral dos Módulos: ..................................................................... 29
4.2 Hardware ....................................................................................................... 29 4.2.1 Solução ST7540: .................................................................................... 29
4.2.2 Solução IT700 Module: .......................................................................... 30
4.2.3 Solução PLM-24: .................................................................................... 31
4.2.4 Solução LinkSprite .................................................................................. 31
4.3 Software ......................................................................................................... 35 4.3.1 Requisitos do Software ........................................................................... 35
4.3.2 Projeto do Software ................................................................................ 35
4.3.3 Desenvolvimento do Software ................................................................ 39
4.3.4 Banco de Dados ...................................................................................... 42
5 VALIDAÇÃO E RESULTADOS .................................................................... 44
5.1 Hardware ....................................................................................................... 44
5.2 Software e Banco de Dados .......................................................................... 46
6 CONCLUSÃO ................................................................................................... 48
7 REFERÊNCIAS ............................................................................................... 49
APÊNDICE A <ARTIGO> ................................................................................... 52
APÊNDICE B <MANUAL> .................................................................................. 58
8
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Hz Hertz
Amp. Op Amplificador Operacional
UML Unified Modeling Language
BD Banco de Dados
PLC Power Line Communication
SQL Strutured Query Language
COPEL Companhia Paranaense de Energia
tEP tonelada Equivalente de Petróleo
kW/h kilowatts por hora
CI Circuito Integrado
bps bits por segundo
V Volts
mA mili Amperes
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Modulação de onda contínua em amplitude. (a) Portadora. (b) Sinal a ser
transmitido. (c) Sinal modulado em amplitude. ............................................................. 17 Figura 2.2: Modulação de onda contínua em frequência. (a) Onda portadora. (b) Sinal
a ser transmitido. (c) Sinal modulado em frequência. ................................................... 18 Figura 2.3: Modulação por pulso em amplitude ............................................................ 19 Figura 2.4: Exemplos de modulação por pulsos digital. ............................................... 19 Figura 2.5: Modulação por chaveamento de frequência. .............................................. 20 Figura 2.6: Densidade espectral de um sinal em banda base e um sinal “espalhado” em
potência. ......................................................................................................................... 21 Figura 3.1: Fluxo geral do sistema. ............................................................................... 28 Figura 4.1: Circuito medidor de corrente. ..................................................................... 30 Figura 4.2: Circuito medidor de tensão. ........................................................................ 30 Figura 4.3: Modem PLM-24 pronto para uso. ............................................................... 31 Figura 4.4: Smart Outlet da LinkSprite. ........................................................................ 32 Figura 4.5: Control Unit for Smart Outlet da LinkSprite .............................................. 33 Figura 4.6: Estrutura da rede PLC. ............................................................................... 33 Figura 4.7: Diagrama funcional básico do Control Unit for Smart Outlet. .................. 34 Figura 4.8: Caso de uso do Software de Monitoração e Gerenciamento ...................... 35 Figura 4.9: Diagrama de sequência – Cadastro de módulo. ......................................... 37 Figura 4.10 Diagrama de sequencia - Cadastro de Eletro-eletrônico. ......................... 37 Figura 4.11: Diagrama de sequência – Visualizar Consumo Instantâneo. ................... 38 Figura 4.12: Diagrama de sequência – Visualizar energia acumulada. ....................... 38 Figura 4.13: Diagrama de sequência – Ligar/Desligar Eletro-eletrônico. ................... 38 Figura 4.14: Diagrama de sequência – Agendar ação. ................................................. 39 Figura 4.15 Painel para conexão com porta COM. ...................................................... 39 Figura 4.16 Tela de consumo acumulado. ..................................................................... 40 Figura 4.17 Tela de consumo instantâneo, gráfico com opção de zoom. ...................... 41 Figura 4.18 Tela de programação de ação. ................................................................... 42 Figura 4.19: Diagrama de Entidade Relacionamento. .................................................. 42 Figura 5.1Gráfico da potência pelo tempo com dados da Tabela 5.3 ........................... 47
10
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1: Histórico do Saldo de Intercâmbio ............................................................. 14 Tabela 5.1: Valores das resistências, e tensão e corrente medida para validação de
teste do hardware. .......................................................................................................... 45 Tabela 5.2: Valores de potência obtidos durante o teste. .............................................. 45 Tabela 5.3: Tabela de resultado dos testes de medições utilizando o software
desenvolvido ................................................................................................................... 46
11
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1.1 Fórmula para o cálculo do consumo elétrico em watts hora. .................. 15 Equação 4.1 Fórmula de potência a partir da corrente e tensão. ................................. 34 Equação 5.1 Fórmula para o cálculo da potência com utilização da resistência e
tensão. ............................................................................................................................. 45
12
RESUMO
O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema para monitoração e
gerenciamento de consumo de energia elétrica de dispositivos eletro-eletrônicos em
uma residência, com troca de informações (dados) entre os dispositivos de medição e
gerenciamento tendo como meio de transmissão a rede elétrica, utilizando a tecnologia
PLC (Power Line Communication). O estudo e a elaboração do sistema estão baseados
em dispositivos para comunicação PLC e sem fio, desenvolvidos especialmente para
automação residencial. Estes dispositivos realizam a medição de corrente, utilizada para
o cálculo do consumo de energia de um ponto desejado na rede elétrica, enviando os
dados ao dispositivo de gerenciamento, quando por este solicitado. Neste projeto
aborda-se a utilização da linguagem de programação C# para desenvolvimento do
software pelo qual o usuário terá acesso às informações da monitoração feitas pelos
dispositivos, e também do controle de “liga e desliga” destes equipamentos, realizando
a função de um “interruptor” para o controle de energia. Apresenta-se a validação dos
resultados do sistema durante os testes realizados em laboratório e em ambiente
residencial, as conclusões e sugestões para implementações futuras do sistema em maior
escala.
Palavras-Chave: PLC, LinkSprite, Medição de Energia Elétrica, Automação
Residencial, Gerenciamento de Rede Elétrica.
13
Monitoring and management system of residential electricity
consumption using the power line for communication.
ABSTRACT
The objective of the following work is to develop a system for monitoring and
management of power consumption of consumer electronics devices in a residence,
transferring information (data) between the meter and manager devices through the grid,
using the PLC technology (Power Line Communication). The study and development of
the system are based on PLC communications devices and wireless that are designed
specifically for home automation. These devices do the current measurement that is
used to calculate the energy consumption of a desired point on the grid, sending the data
to management device, when requested by it. This project do the use of the
programming language C # to develop the software through which the user will have
access to information brought by the monitoring devices, and also control the "on-off"
of equipment, performing the role of a switch to control energy. The system
functionality is validated through data collected during tests in laboratory and
residential environment, the conclusions and suggestions for future implementations of
the system on a larger scale.
Keywords: PLC, LinkSprite, Electrical Energy Measuring, Home Automation,
Electrical Grid Management.
14
1 INTRODUÇÃO
A energia elétrica é resultado da energia mecânica eletromagnética ou química,
proveniente de fontes hidráulica, térmica, solar, nuclear ou eólica, entre outras. Sua
disponibilidade instantânea, sem odor ou sujeira e em muitos casos, vencendo imensas
distâncias entre os pontos de geração e de uso, tornou-a essencial para a humanidade ao
longo dos séculos. Durante todo esse período, o crescimento da população mundial
também levou ao grande crescimento da demanda de energia elétrica consumida,
aumentando cada vez mais a busca por novas fontes de energia, o interesse no
desenvolvimento de equipamentos que consumam menos e maneiras de melhor
aproveitar a energia.
Com base em dados divulgados pela Companhia Paranaense de Energia (Balanço
Energético do Paraná, 2007), é possível observar o crescimento do consumo energético
no Estado do Paraná. No ano de 2006 o consumo energético do Estado foi de
15.094.000 toneladas Equivalentes de Petróleo (tEP). Deste total, 80% foram
produzidos pela Copel, aproximadamente 12.028.000 tEP, representando um déficit
energético de 3.066.000 tEP (20,3%).
Desde 1997, quando a houve um superávit de 382.000 tEP, a soma anual tem
apresentado déficits geralmente mais altos que o ano anterior conforme a tabela 1.1.
Tabela 1.1: Histórico do Saldo de Intercâmbio
1000 tEP
ANO PRODUÇÃO DE
ENERGIA PRIMÁRIA
CONSUMO
FINAL
PERDAS TOTAL SUPERÁVIT DÉFICIT %
1997 12003 11183 438 11621 382 - 3,3
1998 11988 11612 701 12313 - 325 -2,6
1999 11870 11672 514 12186 - 316 -2,6
2000 10986 11698 541 12239 - 1253 -10,2
2001 11934 12307 1533 13840 - 1906 -13,8
2002 11507 12473 1166 13639 - 2132 -15,6
2003 11749 12894 969 13863 - 2114 -15,2
2004 12852 13689 465 14154 - 1302 -9,2
2005 12375 13966 459 14425 - 2050 -14,2
2006 12028 14602 492 15094 - 3066 -20,3
tEP – tonelada Equivalente de Petróleo
Fonte: Saldo de Intercâmbio de Energia – Copel, 2007.
A quantia do consumo em 2006, exibido acima, abrange vários segmentos da
sociedade, e o segmento que mais nos interessa dentro do que foi proposto para o
presente projeto é o residencial. Este segmento representa cerca de 9,1% do total (1.382
15
mil tEP) e destes, 31% (427 mil tEP) são referentes à energia elétrica (COPEL,2007).
Convertendo para kWh, que é a unidade utilizada comercialmente para medir o
consumo elétrico residencial, e dividindo entre o número de consumidores residenciais
no Estado do Paraná, cerca de 2.874.625, chegamos a um consumo mensal médio de
aproximadamente 145 kWh, que representam R$61,00 mensais, baseado na tarifa atual
cobrada pela Copel – aproximadamente R$0,42 (COPEL, 2009).
A seguir o simula-se o seguinte cenário:
- Família paranaense de três pessoas.
- Chuveiro elétrico Maxi Ducha da marca Lorenzetti com potência nominal de 4.500
Watts (LORENZETTI, 2009).
- Tempo de banho diário de cada pessoa igual a 10 minutos.
Baseado nas informações acima e na equação 1.1 chega-se a um consumo mensal,
com o chuveiro elétrico, de aproximadamente 67 kWh, que representa 46% do consumo
mensal de uma residência paranaense, equivalente a R$28,15 por mês. Se o tempo do
banho de cada pessoa diminuísse de 10 minutos diários para 7 minutos isso
representaria uma economia mensal de 30%.
Equação 1.1 Fórmula para o cálculo do consumo elétrico em watts hora.
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 = 𝑃𝑜𝑡 ∗ ∆𝑡
O objetivo do trabalho apresentado é criar um sistema direcionado para o usuário
doméstico que esteja preocupado em obter este tipo de economia simulada acima, um
sistema capaz de exibir detalhadamente quais são os destinos finais de toda energia
gasta pela residência, com autonomia para inclusive controlar o fluxo de energia a esses
destinos finais. Além de que toda a conexão é feita pela própria rede elétrica, evitando
maiores gastos com novas estruturas de comunicação, implementando um sistema que
utiliza a tecnologia de Power Line Communication.
O trabalho está organizado em outros seis capítulos. No capítulo 2 são apresentados
os conceitos básicos para compreensão do projeto, no capítulo seguinte mostra-se a
especificação técnica feita de todo o projeto, no capítulo 4 é descrita a implementação
do projeto em seus meandros, em seguida apresenta-se as validações feitas e os
resultados de teste realizados, no capítulo 6 conclui-se o projeto e em seguida são
exibidas as referências utilizadas durante o projeto.
16
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Power Line Communication (PLC)
“Há aproximadamente trinta anos, foi inventado um dispositivo capaz
de modular e injetar na rede elétrica os sons captados por um microfone,
sendo este sinal recuperado em outro local e convertido novamente em som.
Este sistema ficou conhecido como „Babá-Eletrônica‟[...]” (VARGAS, 2004,
p.11).
Assim como a “Babá-Eletrônica”, há vários equipamentos que são capazes de injetar
sinais na rede elétrica, caso esses sinais não sejam controlados nem uniformes eles
acabam por interferir em outros equipamentos. O controle dos sinais, desde a sua
frequência até nível de propagação, só começou a ser efetuado com o avanço de
técnicas de multiplexação e modulação de sinal, permitindo a transmissão de sinais
diferentes em um mesmo meio físico. Logo então, pode-se pensar em transmitir dados e
informações utilizando os cabos da rede elétrica e daí vem o Powerline Communication
(PLC). Pode-se definir PLC como uma transmissão controlada e inteligente de dados
pelas linhas de energia (VARGAS, 2004, p.11).
A tecnologia PLC vem sendo muito discutida atualmente por duas vantagens muito
evidentes, o baixo investimento em infra-estruturas devido às já existentes linhas de
energia, assim como o fato social de democratizar a informação, chegando a lugares
ainda não cobertos pelos atuais sistemas de internet existentes.
Apesar de não ser uma tecnologia muito recente e estar em crescimento, sua
regulamentação ainda não é universal. Nos Estados Unidos e na Europa ela já é mais
desenvolvida com bandas de frequências específicas e limites de radiação
eletromagnética, proveniente do PLC, enquanto outros países ainda engatinham nestas
determinações.
No Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica aprovou, no dia 25 de Agosto de
2009, as regras para utilização da rede elétrica para transmissão de dados, voz e imagem
e acesso à internet em alta velocidade (RENNER, 2009).
A Resolução Normativa nº 375/2009 estabelece condições de compartilhamento da
infraestrutura das distribuidoras de energia (ANEEL, 2009).
17
2.2 A comunicação pela rede elétrica
Nesta seção são apresentadas as características referentes a fundamentos de
comunicação de dados que formam a base da tecnologia PLC. São discutidos conceitos
de modulação e multiplexação.
2.1.1 Modulação
Como foi dito anteriormente, o crescimento da tecnologia PLC só foi possível com o
avanço das técnicas de modulação, ou seja, devido à funcionalidade da modulação de
sinais, que transforma estes em formas adequadas para transmissão em um meio físico.
No transmissor quando da modulação, algum parâmetro da onda portadora é
alterado de acordo com a mensagem a ser enviada pelo canal de transmissão. O receptor
recria a mensagem original de acordo com o sinal recebido (demodulação). Contudo, a
recriação da mensagem original exata é impossibilitada devido à presença de ruído e à
distorção do sinal recebido. O tipo da modulação que é utilizado influencia na
degeneração do sinal como um todo, sendo que algumas técnicas são mais sensíveis a
ruídos e distorções que outras (VARGAS, 2004, p.12).
2.2.1.1 Modulação de onda contínua
Forma analógica de modulação, que usa uma onda portadora senoidal para transmitir
informação. Há duas famílias básicas de modulação por ondas contínuas, a modulação
por amplitude e a modulação angular.
2.2.1.1.1 Modulação de onda contínua por amplitude
É a forma de modulação na qual a amplitude do sinal senoidal varia em função do
sinal de interesse, que é o sinal modulador. A frequência e a fase da portadora são
mantidas constantes. A Figura 2.1 mostra o sinal da portadora e o sinal da onda a ser
transmitida e a onda resultada.
Figura 2.1 Modulação de onda contínua em amplitude. (a) Portadora. (b) Sinal a ser transmitido. (c) Sinal
modulado em amplitude.
Fonte: (VARGAS, 2004, p.14).
A vantagem da modulação por amplitude está na sua simplicidade, mas em
contrapartida apresenta desperdício de potência, pois onda portadora é independente da
informação e é transmitida juntamente com o sinal utilizando maior potência, e
18
desperdício de banda. Essas desvantagens podem ser reduzidas utilizando formas
lineares de modulação em amplitude, mas deixam o sistema mais complexo (VARGAS,
2004, p.14).
2.2.1.1.2 Modulação angular de onda contínua
Nesta modulação o que varia é o ângulo do sinal da portadora, essa variação é de
acordo com o sinal a ser transmitido. Os dois métodos mais comuns desse tipo de
modulação são: modulação em fase (Phase Modulation – PM) e modulação em
frequência (Frequency Modulation – FM) (VARGAS, 2004, p.14).
A modulação em fase varia linearmente o ângulo do sinal modulado, enquanto a
modulação em frequência varia, como diz o próprio nome, a frequência do sinal
modulado. Um sinal FM pode ser obtido de um sinal PM e vice-versa. Logo, todas as
propriedades de um sinal FM podem ser deduzidas de um sinal PM. A Figura 2.2
mostra o resultado de uma modulação em frequência.
Figura 2.2: Modulação de onda contínua em frequência. (a) Onda portadora. (b) Sinal a ser transmitido.
(c) Sinal modulado em frequência.
Fonte: (VARGAS, 2004, p.14).
O cruzamento em zero é o momento em que o sinal passa do positivo para o
negativo e vice-versa. Esta é uma característica que distingue as modulações por
amplitude das modulações por ângulo. A forma de onda também é outra diferença,
sendo as dos sinais PM e FM constantes e iguais à amplitude da onda portadora,
enquanto a forma de onda do sinal AM é dependente da mensagem a ser transmitida.
Por ter o ângulo dependente da mensagem a ser transmitida a regularidade do
cruzamento em zero dos sinais PM e FM é comprometida (VARGAS, 2004, p.15).
2.2.1.2 Modulação em Pulso
A modulação em pulsos é a modulação na forma digital. Antes onde havia uma onda
senoidal agora há um trem de pulsos transmitindo informação, pela variação de algum
parâmetro. Este tipo de modulação se baseia em amostragens.
O processo de amostragem, descrito no domínio do tempo, é uma operação muito
importante no processamento digital de sinais e comunicações digitais. Ele consiste na
conversão de sinais analógicos em uma sequência correspondente de amostras que são
dispostas de maneira uniforme quanto aos espaços no tempo. É evidente que, para o
funcionamento correto do procedimento, é necessário escolher uma taxa de amostragem
19
apropriada para que a sequência de pulsos amostrados defina corretamente o sinal
analógico original (VARGAS, 2004, p.15).
Contudo, sobreposições de componentes de altas frequências sobre os de baixas
frequências podem acontecer, caso o sinal não possua banda limitada, e desta maneira
filtros anti-aliasing podem ser necessários.
A modulação por pulsos pode ser separada em dois tipos: analógica e digital.
2.2.1.2.1 Modulação por pulsos analógica
Utiliza um trem de pulsos periódico como onda portadora e tem alguma propriedade
de cada pulso variando de acordo com o valor amostrado correspondente do sinal da
mensagem. As variações nos pulsos podem ocorrer na amplitude (Figura 2.3), na
duração e na posição. A transmissão da informação se dá por forma analógica, mas em
instantes de tempo discretos (VARGAS, 2004, p.15).
Figura 2.3: Modulação por pulso em amplitude
Fonte: (VARGAS, 2004, p.15).
2.2.1.2.2 Modulação por pulsos digital
No caso de modulação por pulsos digital, os valores das amostras são convertidos
para números binários que por sua vez são codificados em sequências de pulsos que
representam cada um dos valores binários (VARGAS, 2004, p.15).
Existem vários tipos de modulação por pulsos digital: unipolar sem retorno a zero,
polar sem retorno a zero, unipolar com retorno a zero, bipolar com retorno a zero e
código Manchester. A figura 2.4 mostra alguns sinais como exemplos dessas
modulações.
Figura 2.4: Exemplos de modulação por pulsos digital.
20
Fonte: (VARGAS, 2004, p.16).
2.2.1.2.3 Modulação por chaveamento de frequência
A modulação FSK (Frequency Shift Keying) é a frequência utilizada pelo modem
utilizado neste projeto, a escolha deste modem será discutida mais adiante.
Esta técnica de modulação atribui frequências diferentes para a portadora em função
do bit que é transmitido. Portanto, quando um bit 0 é transmitido, a portadora assume
uma frequência correspondente a um bit 0 durante o período de duração de um bit.
Quando um bit 1 é transmitido, a frequência da portadora é modificada para um valor
correspondente a um bit 1 e analogamente, permanece nesta frequência durante o
período de duração de 1 bit, como mostrado na figura 2.5 (MALBURG, 2004).
Figura 2.5: Modulação por chaveamento de frequência.
Fonte: (MALBURG, 2004).
A modulação FSK apresenta a desvantagem de ocupar uma banda de frequência
bastante alta, devido a estas variações bruscas de frequência em função da transição de
bits, além de possibilitar taxas de transmissão relativamente baixas (MALBURG, 2004).
2.2.2 Multiplexação do sinal
A Multiplexação é a técnica que permite a transmissão de mais de um sinal em um
mesmo meio físico. Dentre os tipos de multiplexação podem ser citados:
Multiplexação na frequência (Frequency-Division Multiplexing - FDM):
Sobre o mesmo canal de transmissão são criados subcanais cada um
utilizando uma faixa de frequências. No receptor são usados vários filtros.
Multiplexação no tempo Time-Division Multiplexing (TDM): Sobre o mesmo
canal de transmissão são criados subcanais cada um utilizando um
determinado momento no tempo.
Multiplexação por código Code-Division Multiplexing (CDM): Sobre o
mesmo canal de transmissão cada sinal é identificado por uma sequência de
códigos diferentes.
Essas técnicas servem de base para outras utilizadas na comunicação pela rede
elétrica: a spread spectrum e a OFDM.
2.1.2.1 Spread Spectrum
Esta técnica de modulação sacrifica a largura de banda e a amplitude do sinal em
prol de um melhor segurança durante a comunicação. Por exemplo, quando há um sinal
espalhado no espectro de potência, ele aparenta ser um sinal de ruído, podendo ser
21
transmitido pelo canal sem ser notado por quem possa estar monitorando a
comunicação. A figura 2.6 exemplifica visualmente como fica o espectro de potência
para um sinal espalhado em um sinal de banda base (VARGAS, 2004, p.16 e p.17)
Figura 2.6: Densidade espectral de um sinal em banda base e um sinal “espalhado” em potência.
Fonte: (VARGAS, 2004, p.17).
As vantagens apresentadas por esta técnica são:
Baixa densidade espectral de potência
Rejeição a interferências.
Privacidade: o código usado para o espalhamento tem baixa ou nenhuma
correlação com o sinal e é único para cada usuário, sendo impossível separar
do sinal a informação que está sendo transmitida sem o conhecimento do
código utilizado.
2.1.2.2 OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
A técnica de multiplexação OFDM foi designada para trabalhar de modo a
minimizar a interferência entre dois canais de frequência próximos um do outro e está
baseada na propriedade de ortogonalidade entre sinais. Dois sinais são tidos como
ortogonais, quando o produto entre elas resulta em zero (VARGAS, 2004, p.17).
A modulação OFDM utiliza diversas portadoras ortogonais para transmitir um sinal.
Mas antes de ser modulado na portadora, este sinal passa por algumas etapas de
processamento que melhoram seu desempenho.
No processo de modulação OFDM, várias portadoras em frequências diferentes são
utilizadas para modular o sinal digital, sendo que cada portadora transporta apenas
alguns bits do sinal original. Estas portadoras são ortogonais entre si, para evitar que
haja interferência entre elas. Isso quer dizer que o espaçamento entre as portadoras é
igual ao inverso da duração de um símbolo (MALBURG, 2004).
A tecnologia é complexa, mas apresenta alguns benefícios: maior número de canais
para uma mesma faixa espectral quando comparado com a técnica FDM, resistência à
interferência RF a apresenta baixa distorção causada por caminhos múltiplos
(VARGAS, 2004, p.17).
22
OFDM foi a técnica escolhida para a televisão digital da Europa, Japão, Austrália e
também para o Brasil, e a escolha é influenciada pela grande robustez demonstrada
diante dos ruídos causados pela interferência de multi-percurso. Também vem sendo
amplamente utilizada em transmissões sem fio (MALBURG, 2004).
2.3 Banco de dados SQL SERVER
O MS SQL Server é um SGBD - sistema gerenciador de Banco de dados relacional
criado pela Microsoft.
Com a nova versão o MS SQL Server 2008 é fornecida uma plataforma de dados
confiável, produtiva e inteligente que permite que você execute suas aplicações de
missão crítica mais exigente, reduza o tempo e o custo com o desenvolvimento e o
gerenciamento de aplicações e entregue percepção que se traduz em ações estratégicas
em toda sua organização. O SQL É um Banco de dados robusto e usado por sistemas
corporativos dos mais diversos portes (MICROSOFT, 2008).
O SQL permite a encriptação de um banco de dados inteiro, arquivos de dados ou
arquivos de log, com necessidade de mudanças nas aplicações. Os benefícios dessa
encriptação incluem: consultas de dados encriptados usando consultas em série ou
associadas, proteger os dados de consultas de usuários não autorizados e encriptação de
dados sem requerer qualquer mudança nas aplicações existentes (MICROSOFT, 2008).
SQL Server 2008 permite que dados possam ser usados a partir de aplicações
desenvolvidas utilizando Microsoft .NET e Visual Studio. Como no projeto aqui
descrito em que se utiliza a linguagem de programação C#.
2.4 Linguagem de programação C Sharp (c#)
C# (ou C Sharp) é uma linguagem de programação orientada a objetos desenvolvida
pela Microsoft como parte da plataforma .NET. A sua sintaxe orientada a objetos foi
baseada no C++ mas inclui muitas influências de outras linguagens de programação,
como Delphi e Java.
Durante o desenvolvimento da plataforma .NET, as bibliotecas foram escritas
originalmente numa linguagem chamada Simple Managed C (SMC), que tinha um
compilador próprio. Mas, em Janeiro de 1999, foi formada uma equipe de
desenvolvimento por Anders Hejlsberg, que fora escolhido pela Microsoft para
desenvolver a linguagem. Inicia-se então à criação da linguagem chamada Cool. Um
pouco mais tarde, em 2000, o projeto .NET era apresentado ao público na Professional
Developers Conference (PDC), e a linguagem Cool fora renomeada e apresentada como
C# (MSDN, 2008).
A criação da linguagem, embora tenha sido feita por vários programadores, é
atribuída principalmente a Anders. Ele foi o arquiteto de alguns compiladores da
Borland, e entre suas criações mais conhecidas estão o Turbo Pascal e o Delphi
(MSDN, 2008).
A Microsoft baseou C# nas linguagens C++ e Java, e ela é considerada a linguagem
símbolo do .NET, por ter sido criada praticamente do zero para funcionar na nova
plataforma, sem preocupações de compatibilidade com código existente. O compilador
C# foi o primeiro a ser desenvolvido, e a maior parte das classes da plataforma foi
desenvolvida nesta linguagem (MSDN, 2008).
23
O C# é constituído por características diversas. Por exemplo, a linguagem suporta
ponteiros utilizando-se da palavra reservada unsafe (código não-seguro), que é
obrigatório. Seu uso não é aconselhável, e blocos de códigos que o usam geralmente
requisitam permissões mais altas de segurança para poderem ser executados (MSDN,
2008).
Em C# não existe herança múltipla, ou seja, cada classe só pode herdar apenas outra
classe e não mais do que uma, no entanto é possível simular herança múltipla utilizando
interfaces. Assim, com o uso da herança reduzimos código fazendo sua reutilização. O
C# suporta sobrecarga de métodos e de operadores, mas não suporta argumentos
padrão. As únicas conversões implícitas por padrão são conversões seguras tais como, a
ampliação de inteiros e conversões de um tipo derivado para um tipo base. Não existem
conversões implícitas entre inteiros e variáveis booleanas, enumerações e ponteiros
nulos. Qualquer conversão implícita definida pelo utilizador deve ser explicita, apesar
do C# ser baseado em variáveis estáticas é possível converter os tipos de dados de uma
variável, desde que essa conversão seja possível. A forma mais simples de efetuar a
conversão é usando a classe Convert, que implementa vários métodos que permitem a
conversão de qualquer tipo para outro. Todas as conversões de tipo são validadas em
função do tipo real da variável em tempo de execução, sem exceções (OFICINA DA
NET, 2009).
Ao contrário das outras linguagens de programação, nenhuma implementação de C#
atualmente inclui qualquer conjunto de bibliotecas de classes ou funções. Mesmo assim,
esta linguagem está muito vinculada à plataforma .NET, da qual obtém as suas classes
ou funções de execução. O código é organizado num conjunto de espaços de nomes que
agrupam as classes com funções semelhantes. Por exemplo, System.Windows.Forms
contém o sistema Windows Forms; System.Console é usado para entrada e saída de
dados (MSDN, 2008).
24
3 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA
3.1 Análise do Contexto
3.1.1 Descrição do objeto de desenvolvimento
O objeto desenvolvido consiste de um sistema de monitoração e gerenciamento de
eletrodomésticos dentro de uma rede de energia elétrica residencial. A monitoração é
realizada por uma interface de medição efetuando a leitura para trazer os números do
consumo de certo equipamento e levá-los à Central de Controle, em um computador,
usando a rede elétrica da residência. Com os dados recebidos é feita visualização pelo
usuário. O gerenciamento utiliza o sistema PLC, iniciando por um comando dado pelo
computador para desligar ou ligar o eletrodoméstico.
3.1.2 Descrição do sistema
Descrição de módulo de coleta de dados
O módulo de coleta de dados tem como principal objetivo amostrar valores de
tensão e corrente da rede elétrica e, a partir destes dados, calcular o consumo do
eletrodoméstico conectado ao módulo.
Descrição do módulo de comunicação
A partir de equipamentos baseados na tecnologia PLC faz o envio de dados
originados do módulo de coleta de dados para a unidade centralizadora de dados, assim
como faz o caminho inverso levando comando de gerenciamento do computador até a
unidade PLC conectada a um ponto de saída de energia.
Descrição Central de Controle de dados
Faz a centralização dos dados recebidos de cada ponto da rede, armazenando em
uma base de dados em um computador no qual esteja conectado.
Descrição do Software
O software de pós-processamento é a principal interface com o usuário, tem o
objetivo de converter a informação recebida da Central de Controle de dados, em
informação legível para usuários leigos, e com esta informação monitorar o consumo de
todos os equipamentos ligados à rede elétrica gerenciando-os.
3.1.3 Descrição das Interfaces
Interface Central de controle – Coletores de dados
Os dados, coletados pelo módulo de coleta de dados, são enviados por meio da
própria rede de energia elétrica residencial para a Control Unit for Smart Outlet, e esta
utiliza da mesma estrutura de conexão para se comunicar com os diversos pontos na
rede elétrica da residência.
25
Interface de comunicação Serial
A Control Unit for Smart Outlet conecta-se ao computador por meio de uma
interface serial.
3.1.4 Descrição de Condições Restritivas
Restrição de Custos
Por ser um projeto acadêmico possui grande restrição nos custos. Para viabilizar a
execução do projeto deve-se priorizar a utilização de recursos já disponíveis, evitando a
necessidade de aquisição de novos materiais.
Restrição de recursos
O projeto possui restrições de recursos:
Humano, por se tratar de um projeto de conclusão de curso a quantidade de
autores é limitada a duas pessoas, no projeto aqui mencionado a realização
foi por apenas um aluno.
Financeira, também faz parte da realidade do projeto, portanto será
priorizada a utilização de recursos já disponíveis, evitando a necessidade de
aquisição de novos materiais ou com tecnologias muito caras.
Temporal, seguindo datas de um calendário acadêmico já especificado, foi
necessária uma adequação a essas datas, evitando atrasos.
Restrição mecânica
Por se tratar de um equipamento direcionado à residências e que é conectado a
vários pontos na rede elétrica o tamanho é limitado, com isso é necessária a utilização
de componentes mínimos em dimensões.
Restrições de ambiente
Os ambientes em que são expostos os equipamentos são variados, mas nenhum
extremo em relação à temperatura, umidade, vibrações ou agressividade do meio. Os
pontos importantes que devem ser levados em consideração é a proteção contra poeira e
pequenos choques devidos ao manuseio dos equipamentos por usuários sem
necessidade de treinamento destes.
Condições tecnológicas
Dentre as tecnologias utilizadas neste projeto, o PLC – Power Line Communication
– é a que há maior restrição de informações e equipamentos no Brasil, tendo sua
regulamentação legal sido redigida recentemente pelos órgãos reguladores. Países da
Europa e o EUA contam com protocolos e equipamentos comerciais já regulamentados
para o PLC, sendo mais fácil a aquisição de materiais nestes lugares.
Condições de Interferências Elétricas
Por se tratar de dados trafegando em redes elétricas é necessário levar em conta
interferências que possam ser geradas por equipamentos ligados à rede, como pequenos
motores, comuns em uma residência, pode-se citar o liquidificador, batedeira, secador
de cabelo entre outros.
26
3.1.5 Descrição dos Benefícios Esperados
Benefícios econômicos
O custo e o consumo de energia elétrica têm subido constantemente nas últimas
décadas e não dá sinais de que diminuirão tão cedo. Quando o consumidor escolhe, com
consciência, economizar energia elétrica dentro da própria casa, sente a diferença no
orçamento doméstico (YAHOO, 2009).
A economia financeira do usuário é esperada, após este ter total controle de onde a
energia elétrica de sua residência está sendo utilizada, podendo gerenciar os
equipamentos de modo a evitar desperdício de energia.
Benefícios ecológicos
Ao diminuir o consumo mensal em 10 kWh, durante o período de um ano uma
pessoa evita que 48kg de CO2 sejam lançados na atmosfera (INICIATIVA VERDE,
2009). Em maior escala os valores tornam-se muito mais significativos, como para o
bairro de Santa Felicidade (em Curitiba), onde em 2000 existiam cerca de 7.300
domicílios (IPPUC, 2000). Se cada domicílio conseguisse reduzir o consumo elétrico
em 10kWh, isso proporcionaria 350 toneladas de CO2 a menos na atmosfera, ou seja
seriam necessárias mais de 16000 novas árvores para compensar todo o CO2
(INICIATIVA VERDE, 2009).
3.1.6 Análise Funcional
Funções de comunicação
As interfaces, de captura de dados e a Control Unit for Smart Outlet, devem ser
capazes de se comunicar de forma bidirecional com o computador, para o recebimento
da informação a ser processada, retorno dos resultados obtidos e troca de informações
com o objetivo de controle.
Funções de processamento de informação
Dentro do módulo de coleta de dados a informação de corrente e tensão é recebida
pelo conversor A/D e enviada pelo modem para a Control Unit for Smart Outlet, esta a
informação é enviada pela porta USB/SERIAL para o computador. No computador a
informação é tratada de modo que a monitoração se torne mais fácil ao usuário.
Funções de controle automático
O módulo de captura de dados faz a leitura do consumo e a transmissão dos dados
para o Control Unit for Smart Outlet de forma automática quando programado para tal.
Funções de interface homem/máquina
A interação do usuário se dá pelo computador, utilizando o software desenvolvido
durante o projeto, em que é feita a configuração dos equipamentos e a utilização.
Funções de aquisição de dados
Os dados serão adquiridos pelo módulo responsável, ligado à rede elétrica
residencial e ao eletrodoméstico desejado.
27
3.1.7 Análise de Requisitos
Funcionalidade
O projeto não utiliza componentes de alta precisão por se tratar de um ambiente
doméstico,oa Control Unit for Smart Outlet possui um sistema proprietário que trata a
resposta do módulo de captura de dados para certificar-se da informação recebida.
Normas de segurança quanto ao uso indevido deste projeto não serão estabelecidas.
Confiabilidade
Falhas são tratadas quanto à resposta enviada para o Control Unit for Smart Outlet,
que faz a certificação dos dados válidos. Se houver alguma instabilidade no hardware,
para que haja a reinicialização do mesmo ele deve ser desconectado e conectado da
porta USB como a maioria dos dispositivos USB, e o software caso apresente alguma
instabilidade, deve ser reinicializado também.
Usabilidade
O software é projetado de maneira intuitiva, de forma que seja dispensado qualquer
tipo de treinamento do usuário. O esforço operacional está somente na utilização do
software no computador, responsável pela interação com o usuário.
Eficiência
Não é exigido um alto processamento do hardware, por se tratar de uma pequena
quantidade de dados e velocidade de transmissão baixa. Todo o sistema deve manter-se
estável por todo o tempo.
Mantenebilidade
O projeto tem tecnologias possíveis de melhorias no futuro, tanto no software
quanto no hardware. Ambas as partes do projeto são estáveis, só apresentam
instabilidade se usadas em um sistema operacional não compatível, tendo em vista que
não possui as bibliotecas e drives necessários.
Portabilidade
O Control Unit for Smart Outlet pode ser conectada a qualquer ponto da rede
elétrica e qualquer computador, que tenha as especificações mínimas, de forma que é
exigida somente a instalação do software, bibliotecas e drives necessários.
3.1.8 Análise de Arquitetura:
Hardware
O projeto possui o hardware dividido em três sistemas, o módulo de captura de
dados, em que serão obtidas as informações de corrente de tensão para o cálculo do
consumo, o módulo de comunicação, com o uso de tecnologia PLC para que a
informação seja enviada à terceira parte do hardware, o Control Unit for Smart Outlet,
que deverá reunir os dados de todos os módulos de captura de dados espalhados na rede
elétrica e enviar uma informação só para o computador. O Control Unit for Smart
Outlet também recebe os comandos do computador e os envia ao receptor correto na
rede. A figura 3.1 demonstra o funcionamento geral da rede.
28
Figura 3.1: Fluxo geral do sistema.
Por meio do diagrama mostrado na figura 3.1 tem-se a idéia fundamental do
funcionamento do sistema. Cada eletrodoméstico – aqui representado por uma geladeira
– ou qualquer ponto em que haja consumo de energia elétrica, é ligado a um módulo de
coleta de dados, este está conectado ao módulo de comunicação que será responsável
por tratar o sinal para transmissão de dados pela rede elétrica. Em outro ponto da rede
está outro módulo de comunicação, conectado a uma unidade que fará o controle dos
módulos que coletam dados, este módulo de comunicação recebe o sinal e o trata para
transformar em dados digitais que serão enviados a um computador no qual está
instalado o software responsável por toda a interface do sistema.
29
4 PROJETO
Neste capítulo faz-se o detalhamento do projeto e dos procedimentos adotados para
o desenvolvimento.
4.1 Descrição Geral dos Módulos:
O projeto é composto por três módulos com responsabilidades específicas:
Módulo kit de coleta de dados (Smart Outlet): Seu objetivo é converter os
dados brutos de corrente e tensão em informações digitais, e enviá-las
através da rede elétrica.
Módulo central de dados e comandos (Control Unit for Smart Outlet): Seu
objetivo é distinguir a origem dos dados repassando-os para o computador
para o devido armazenamento.
Módulo software de pós-processamento: Seu objetivo é ler as informações
digitais recebidas, armazenando-as e as transformando em dados
visualizados em textos e gráficos, também deve possibilitar o controle dos
módulos que farão a coleta dos dados.
4.2 Hardware
Inicialmente houve necessidade de pesquisar as opções disponíveis no mercado, em
termos de hardware. Durante as pesquisas, foram encontradas soluções diversas, mas
somente uma pode ser levada adiante. Estas soluções são:
4.2.1 Solução ST7540:
Desenvolvido pela STMicroeletronics, o chip ST7540 faz parte da família Power
Line Transceiver, e compõe o portfólio de produtos da ST voltados para comunicação
de banda estreita usando a rede de energia elétrica (Narrowband Power Line
Communications). O chip é direcionado para aplicações de baixo custo e tamanho
reduzido, próprio para automação em residências, condomínios residenciais e prediais e
sistemas de monitoramento remoto (JORNAL BRASIL, 2009).
O componente é um transceptor half-duplex FSK, projetado para a comunicação
bidirecional, usando da rede elétrica. Possui oito frequências de transmissão
selecionáveis e quatro taxa de transmissão de 600 a 4800 bps. Ele oferece um regulador
de tensão 3,3V e 50mA, para alimentar diferentes tipos de micro controladores,
oferecendo grande flexibilidade de projeto (STMicroeletronics, 2009).
Entre outros recursos, existe o reconhecimento de header programável e frame
lenght count – para aumentar a eficiência e reduzir o consumo de energia, ativando a
30
MCU externa apenas quando uma mensagem com um header ou frame lenght
específico for detectado – e congelamento programável do nível de saída, para aumentar
a estabilidade da transmissão em ambientes de muito ruído (JORNAL BRASIL, 2009).
Para o projeto proposto, além da interface de comunicação desenvolvida com o
ST7540, é necessário a implementação de sistemas externos para medição de corrente e
tensão, como os mostrados nas figuras 4.1 e 4.2, respectivamente.
Figura 4.1: Circuito medidor de corrente.
Fonte: (CUTEDIGI.COM, 2009).
Figura 4.2: Circuito medidor de tensão.
Fonte: (CUTEDIGI.COM, 2009).
Devido à complexidade de todo o sistema a ser desenvolvido, e a disposição a erros
que tal complexidade levaria, essa solução foi descartada.
4.2.2 Solução IT700 Module:
Módulo plug in que incorpora o SoC (System on Chip) IT700 com interface com
MCU e fonte de alimentação. Foi criado pela Yitran Communications Ltd., empresa
Israelense fundada em 1996, para fácil integração com aplicações diversas envolvendo a
comunicação PLC na automação residencial (YITRAN, 2009).
Solução vantajosa por possuir representantes legais da empresa no Brasil, possuindo
fácil acesso à documentação e suporte. O kit de desenvolvimento já vem com as
bibliotecas e protocolo proprietário para a rede.
O problema constatado foi o custo para obter o kit, cerca de U$1.200,00 cada,
ultrapassando o orçamento proposto e disponível para o projeto.
31
4.2.3 Solução PLM-24:
Modem PLC de baixo custo e fácil aplicabilidade é um dispositivo capaz de enviar e
receber dados seriais utilizando a rede elétrica a uma velocidade de até 2400 bps. A
figura 4.3 mostra um módulo PLM-24 já construído e pronto para uso, pode ser
facilmente interfaceado com qualquer computador ou MCU. É destinado para sistemas
de automação residencial que usem comunicação bi-direcional como medidor de
consumo energético, medidores de temperatura, controle de luzes, etc. Também é
possível enviar e receber mensagens ou trocar arquivos entre um computador pessoal e
dispositivos ligados à rede elétrica (HIGH TECH HORIZON, 2009).
Figura 4.3: Modem PLM-24 pronto para uso.
Fonte: (HIGH TECH HORIZON, 2009).
Desenvolvido pela empresa High Tech Horizon, com uma arquitetura voltada para
trabalhar com o chip ST7537, antecessor do ST7540, o modem PLM-24 tem a
vantagem de possuir um baixo custo, e já estar integrado a um kit com todos os
componentes necessários para sua montagem. Diante de suas características e vantagens
esta solução só foi descartada por haver dificuldade de obter maiores informações de
como adquirir o produto aqui no Brasil ou como importá-lo.
4.2.4 Solução LinkSprite
A LinkSprite Technologies, Inc. fornece dispositivos para comunicação PLC e
wireless. E dentre estes dispositivos a solução aqui apresentada disserta a respeito do
Smart Outlet e do Control Unit for Smart Outlet,que correspondem aos módulos de
coleta de dados (Smart Outlet) e central de dados e comandos (Control Unit for Smart
Outlet), respectivamente. Ambos os dispositivos se assemelham muito, como é visível
nas figuras 4.4 e 4.5. A principal diferença está na função que cada um exerce no
sistema.
Essa solução foi a mais apropriada para o projeto, isto porque cumpre com vários
requisitos que foram expostos na especificação do projeto. Estes dispositivos estão
32
dentro do esperado quanto à suas características técnicas, levando sempre em
consideração o ambientes residencial escolhido, essas características podem ser
exemplificadas pela largura de banda utilizada para transmissão de sinal, a banda
estreita ideal para transmissão de pequenas quantidades de dados, outro exemplo é o
tamanho de cada módulo, um tamanho reduzido, ideal para domicílios. Juntamente com
alguns destes requisitos técnicos que os dispositivos suprem está o fator financeiro, já
que dentre as opções estudadas esta foi uma das mais acessíveis.
A figura 4.4 mostra um Smart Outlet, que é o módulo responsável pela coleta de
dados de consumo e gerenciamento.
Figura 4.4: Smart Outlet da LinkSprite.
Fonte: (CUTEDIGI.COM, 2009).
A figura 4.5 mostra um Control Unit for Smart Outlet, este é módulo responsável
pelo controle dos Smart Outlets ligados à rede.
O Control Unit for Smart Outlet, diferentemente dos Smart Outlets, possui um
soquete UART de 20 pinos para uma placa auxiliar, esta placa auxiliar será a
responsável pelo interfaceamento com um computador ou micro controlador. A própria
Linksprite fornece essas placas auxiliares. Na figura 4.5 é possível ver uma placa
auxiliar para comunicação RS232 (serial) com computadores.
33
Figura 4.5: Control Unit for Smart Outlet da LinkSprite
Fonte: (CUTEDIGI.COM, 2009).
Para a montagem do sistema de rede PLC utilizando os dispositivos acima,
assumimos a estrutura de rede da figura 4.6.
Figura 4.6: Estrutura da rede PLC.
Fonte: (CUTEDIGI.COM, 2009).
Segundo dados da Linksprite, nesta estrutura de rede, pode-se conectar até 65535
módulos de coleta de dados para cada central de dados e comandos. Na figura 4.6 o
Control Unit for Smart Outlet é representado pelo PLC-UART ligado ao Data
concentrator, que nada mais é que o computador, e os Smart Outlets são representados
pelo bloco “Power meter | PLC-UART” já que esse possui ambas as funções.
34
O controle de cada Smart Outlet é feito por um Control Unit for Smart Outlet ligado
a um micro controlador ou computador por conexão serial, no caso do projeto um
computador, utilizando comandos AT, que são enviados pela rede elétrica utilizando o
modem de comunicação PLC, AC-PLM-1, da Ariane Controls, que utiliza a modulação
FSK para transmissão da informação com uma frequência programável entre 50 kHz e
500 kHz (ARIANE CONTROLS, 2009).
O Smart Outlet recebe os comandos e por meio do micro controlador
ATMEGA168V, da fabricante ATMEL, executa o que foi determinado (ATMEL, 2009).
Para a medição do consumo, sua programação é feita para que, quando receber uma
requisição, seja efetuado o cálculo de potência da equação 4.1 com os valores de tensão,
pré-determinado por um jumper para trabalhar em 110 V ou 220 V, e corrente que o
sensor de corrente, representado pela figura 4.1, retornar.
Equação 4.1 Fórmula de potência a partir da corrente e tensão.
𝑃 = 𝐼 ∗ 𝑉
Na placa principal do Control Unit for Smart Outlet há um receptor de 20 pinos no
qual se pode utilizar diferentes placas de interface. As placas de interface disponíveis
são para RS232, RS485, USB, Ethernet e Zigbee.
No projeto aqui descrito foi utilizado a USB inicialmente, porém apresentou certa
instabilidade na conexão com o computador, parando de responder depois de certo
tempo conectado. Então foi alterado para a interface RS232 que se mostrou muito mais
estável na comunicação serial com o computador.
Na figura 4.7 é possível verificar o diagrama funcional básico do Control Unit for
Smart Outlet.
Figura 4.7: Diagrama funcional básico do Control Unit for Smart Outlet.
Fonte: (CUTEDIGI.COM, 2009).
35
4.3 Software
4.3.1 Requisitos do Software
Foram levantados os seguintes requisitos para o software de monitoração e
gerenciamento do sistema:
Possibilidade de cadastrar diversos eletro-eletrônicos e relacioná-los aos
Smart Outlet‟s desejados.
Possibilidade de visualizar os dados de consumo instantâneo e energia
acumulada enviados pelo Smart Outlet.
Possibilidade de visualizar dados coletados anteriormente, armazenados no
banco de dados, utilizando como filtro a data e o eletro-eletrônico.
Possibilitar agendar coleta de dados para monitoração.
Possibilidade de visualizar os dados convertidos em gráficos.
4.3.2 Projeto do Software
As principais funções do software estão descritas a seguir nos casos de uso,
representado pela figura 4.8, e nos diagramas de sequência entre as figuras 4.9 e 4.14.
Figura 4.8: Caso de uso do Software de Monitoração e Gerenciamento
36
Descrição dos casos de uso do software:
Caso de uso: Cadastrar Smart Outlet e/ou eletro-eletrônico.
Ator: Usuário.
Descrição: O Usuário entra com os dados referentes ao módulo de coleta de dados
instalado na rede, e, ou somente, do eletro-eletrônico, que serão armazenados no banco
de dados.
Caso de uso: Visualizar consumo instantâneo.
Ator: Usuário.
Descrição: O Usuário requisita o consumo instantâneo de acordo com o eletro-
eletrônico desejado, e sistema busca os dados automaticamente.
Caso de uso: Visualizar energia acumulada.
Ator: Usuário.
Descrição: O Usuário requisita a energia consumida por certo eletro-eletrônico, e o
sistema busca os dados automaticamente.
Caso de uso: Ligar ou desligar eletro-eletrônico.
Ator: Usuário.
Descrição: O Usuário liga ou desliga determinado eletro-eletrônico ligado à rede
PLC.
Caso de uso: Agendar ação.
Ator: Usuário.
Descrição: O usuário programa uma ação a ser realizada e o sistema aciona
automaticamente a função de liga ou desliga.
37
Figura 4.9: Diagrama de sequência – Cadastro de módulo.
Figura 4.10 Diagrama de sequencia - Cadastro de Eletro-eletrônico.
38
Figura 4.11: Diagrama de sequência – Visualizar Consumo Instantâneo.
Figura 4.12: Diagrama de sequência – Visualizar energia acumulada.
Figura 4.13: Diagrama de sequência – Ligar/Desligar Eletro-eletrônico.
39
Figura 4.14: Diagrama de sequência – Agendar ação.
4.3.3 Desenvolvimento do Software
O software é desenvolvido em C# com a utilização do Microsoft Visual Studio 2008
para seu desenvolvimento e funciona em plataforma Windows.
A metodologia utilizada para a análise do software foi a Análise Orientada a Objeto,
utilizando partes da UML para documentar o software. Segundo a metodologia de
Análise Orientada a Objeto, primeiramente foram definidos os casos de uso do sistema,
então foram levantados os objetos do sistema, seus atributos e relacionamentos
Levantado os objetos e atributos, então foi possível montar o diagrama de entidade
relacionamento para o banco de dados, com esta etapa concluída, foi criado o banco de
dados no SGDB Microsoft SQL Server 2008 e implementadas as telas e rotinas do
sistema.
Para programar o sistema, a primeira abordagem foi levantar os dados básicos
comuns a todo o sistema enquanto ele estiver rodando; com este levantamento, foi
possível identificar que um dispositivo “Control Unit for Smart Outlet” precisa estar
conectado e disponível em comum a todas as abas e objetos do sistema, por isso
chegou-se a conclusão que o sistema deverá bloquear as entradas até que um dispositivo
“Control Unit for Smart Outlet” se torne disponível. Para isto, foi necessário criar um
painel para controle desta conexão como pode ser visualizado na figura 4.15 abaixo.
Figura 4.15 Painel para conexão com porta COM.
Neste painel são mostradas as configurações da porta de conexão do dispositivo, que
são automaticamente detectadas pelo Windows. Além de possibilitar a configuração da
conexão com o dispositivo, este painel também fornece um botão para que o usuário
“abra” a porta corrente que será disponibilizada em comum ao sistema.
Também se constatou a necessidade do servidor de dados utilizado estar disponível e
configurado com o software para a troca segura e estável de informações, já que em
muitas das opções do software a troca de dados com o banco de dados é constante.
40
Depois de configurada a conexão serial com o “Control Unit for Smart Outlet” e a
conexão com o banco de dados, o software realiza automaticamente uma rotina de
verificação dos dados armazenados no banco, onde o sistema compara a data atual com
a data armazenada no banco de dados. Essa verificação é realizada cada vez que se
inicia o programa, e as datas são armazenadas no intervalo de um mês entre elas. Esse
armazenamento corresponde à função de traçar gráficos relacionados à energia
consumida durante os meses, na figura 4.16 tem-se um exemplo com um suposto
consumo da luz da cozinha e do micro-ondas para o mês de Agosto de 2009.
Figura 4.16 Tela de consumo acumulado.
Caso o usuário opte por visualizar o consumo elétrico instantâneo, primeiramente
ele seleciona quais eletro-eletrônicos, já devidamente conectados em seus respectivos
Smart Outlets, ele deseja monitorar, o Smart Outlet responsável receberá o comando
enviado pelo Control Unit for Smart Outlet e enviará os dados a cada 2 segundos, o
software receberá os dados e traçará um gráfico utilizando a biblioteca pública
ZedGraph, desenvolvida em C#, para interromper a monitoração há um botão “parar”
na aba relacionada. Para visualizar os dados de consumo energético mensal de um
eletro-eletrônico ele poderá selecionar o mês e o ano além do eletro-eletrônico desejado,
e requisitar pelos dados armazenados no banco de dados, o software traçará um gráfico
em barras mostrando o consumo informado.
Todos estes gráficos possuem controles na tela para deslocamento no tempo e zoom
como mostra a figura 4.17 na tela de consumo instantâneo.
41
Figura 4.17 Tela de consumo instantâneo, gráfico com opção de zoom.
A última aba disponível no aplicativo é referente ao gerenciamento dos
equipamentos como mostra a figura 4.18, onde o usuário consegue ter o controle de
ligar ou desligar os eletro-eletrônicos, esse controle se dá por um comando enviado pelo
Control Unit for Smart Outlet a um específico Smart Outlet, este ao reconhecer o
comando correto corta o fornecimento de energia ao eletro-eletrônico ligado a ele. Essa
opção ainda pode ser acionada automaticamente pelo próprio software caso o usuário o
tenha programado para tal.
42
Figura 4.18 Tela de programação de ação.
4.3.4 Banco de Dados
O modelo do banco de dados do sistema está descrito na figura 4.19.
Figura 4.19: Diagrama de Entidade Relacionamento.
A figura 4.19 mostra as entidades (tabelas) eletro-eletrônicos, PLC-Eletro, Smart
Outlet e Consumo. A tabela eletro-eletrônicos contém as informações referentes ao
cadastro dos eletro-eletrônicos, como o índice de referência ao eletro-eletrônico, e chave
primária, (id_eletro) que também faz o relacionamento com a tabela PLC-Eletro, o
nome (nome_eletro), o consumo nominal do eletro-eletrônico fornecido pelo fabricante
(consumo_nominal) e um relacionamento com a tabela Smart Outlet através do índice
43
do módulo de coleta de dados (id_moduloplc). A tabela PLC-Eletro contém somente os
índices de eletro-eletrônico e do módulo de coleta de dados, fazendo a relação entre os
dois. A tabela Smart Outlet possui informações referentes ao cadastro dos módulos de
coleta de dados, tendo o índice do módulo (id_moduloplc) e o serial do módulo
(serial_moduloplc).
O sistema gerenciador de banco de dados utilizado é o Microsoft SQL Server 2008,
para manipulação no banco de dados criado TCC_UP, que possui uma fácil interação
com a plataforma de desenvolvimento Microsoft Visual Studio 2008.
44
5 VALIDAÇÃO E RESULTADOS
Neste capítulo são mostrados os problemas que ocorreram durante a implementação,
quais as soluções tomadas e os resultados dos testes efetuados e do sistema como um
todo.
5.1 Hardware
As dificuldades iniciais encontradas foram com respeito à pesquisa de um hardware
que cumprisse com as necessidades propostas. Por ser uma tecnologia em
desenvolvimento, principalmente no Brasil, há muita dificuldade de encontrar material
em solo nacional. Desta maneira a proposta inicial de fazer um sistema com custo baixo
foi praticamente comprometida, já que as aquisições foram originadas no exterior.
A solução para a escassez de equipamento disponível foi uma pesquisa profunda, até
encontrar os dispositivos que, dentro do orçamento planejado, cumprissem com o que
era necessário.
Após a aquisição dos dispositivos o problema encontrado foi a falta de informação
destes. As informações que estavam disponíveis na página do fabricante eram muito
superficiais, mais semelhantes a um manual que de um Datasheet. Para se conseguir
mais informações técnicas dos equipamentos e de seus funcionamentos foi feito contato
com o responsável, esse contato tomou muito tempo já que os diferentes fusos-horário
complicavam a comunicação.
Já com os dispositivos devidamente montados em rede, a dificuldade foi na
obtenção de um aplicativo para iniciar os testes para verificação básica do sistema de
hardware. Seguindo uma indicação do responsável técnico pelos equipamentos foi
utilizado o terminal X-CTU da Digi International. Não sendo um aplicativo dedicado ao
sistema suas aplicações foram limitadas.
O primeiro teste realizado foi feito com um sistema de resistores, variando o valor
final da resistência e desta maneira era obtido valores diferentes de potência,
verificando qual a acuracia do equipamento quanto à medida.
Na tabela 5.1 são mostrados os valores medidos, e tidos como certos, para as
resistências.
45
Tabela 5.1: Valores das resistências, e tensão e corrente medida para validação de teste do hardware.
Resistência (Ohms)
Tensão Medida
com voltímetro (V)
Corrente Medida com
Amperímetro (mA)
550 124,4 0,21
500 124,5 0,24
450 124,8 0,27
400 124,8 0,31
350 124,5 0,34
300 124,2 0,41
200 124,5 0,64
100 124,3 1,23
50 123,6 2,41
A tabela 5.2 mostra as potências que foram obtidas utilizando a equação 5.1, com o
valor da resistência a da tensão medida, da equação 4.1, com os valores de tensão e
corrente e das medições feitas com o equipamento.
Equação 5.1 Fórmula para o cálculo da potência com utilização da resistência e tensão.
𝑃 =𝑅2
𝑉
Tabela 5.2: Valores de potência obtidos durante o teste.
Potencia Calculada com
Resistência e Tensão
medida (Watts)
Potencia Medida -
Tensão e corrente
medida (Watts)
Potencia
Programa Valor
1 (Watts)
Potencia
Programa Valor
2 (Watts)
Potencia
Programa Valor
3 (Watts)
28,13 26,12 0 3 3
31,00 29,88 0 3 3
34,61 33,69 3 0 3
38,93 38,68 7 11 3
44,28 42,33 11 13 11
51,41 50,92 11 13 15
77,50 79,68 45 48 50
154,50 152,88 127 131 135
305,53 297,87 296 292 300
Neste primeiro teste foi possível notar uma grande margem de erro nas medidas
feitas pelo equipamento. Mas esse erro foi atenuado à medida que a potência era maior,
revelando que a sensibilidade do aparelho não era tão boa. Essa característica não consta
na folha de dados do equipamento, sendo somente descrita a potência máxima de 2000
Watts.
Relacionado à conectividade PLC dos aparelhos para um melhor aproveitamento dos
testes foi adquirido outro Smart Outlet, desta maneira a rede montada seria composta
por um Control Unit for Smart Outlet e dois Smart Outlets. Com esta rede configurada
foi possível testar a efetividade do Control Unit for Smart Outlet na comunicação com
os dois Smart Outlets distintos.
A esta altura outra dificuldade surgiu, este segundo dispositivo adquirido veio sem a
tag de identificação serial, e sem esta não é possível se comunicar somente com este
dispositivo. A solução foi obtida por um contato com o responsável novamente, e com
dados de comunicação em HEXA que a placa respondia a alguns comandos específicos.
46
Resolvido o problema da identificação do dispositivo foram realizados testes de
comunicação PLC, de acordo com a folha de dados dos dispositivos a distância máxima
suportada de transmissão é de até 300 pés, o equivalente a 91,4 metros, porém dentro de
um ambiente residencial as mensagens pararam de ser transmitidas a partir de 5 metros
de distância.
5.2 Software e Banco de Dados
O primeiro passo na implementação do software dentro do projeto, foi a
configuração para a interface com a porta serial em que o Control Unit for Smart Outlet
estaria conectado. Essa etapa foi facilmente superada, pois a linguagem de
desenvolvimento C Sharp já contava com uma biblioteca própria.
Após conseguir executar a interface com o Control Unit for Smart Outlet e o
computador, o grande desafio foi conseguir uma conexão estável com o banco de dados
MS SQL Server 2008, realizando de maneira segura todas as transações necessárias.
Depois de configurar a conexão com o banco, foi-se em busca de uma biblioteca ou
componente com o qual fosse possível traçar gráficos diversos, que seriam utilizados
para passar a informação para o usuário.
Chegou-se à biblioteca ZedGraph que é direcionada à aplicações C Sharp, com esta
biblioteca foi possível traçar o gráfico para consumo instantâneo e para a energia
consumida.
Durante os testes do software junto com o sistema, aquele se mostrou estável
realizando medições mais exatas e com menor taxa de erro, como pode ser verificado na
tabela 5.3
Tabela 5.3: Tabela de resultado dos testes de medições utilizando o software desenvolvido
BATERIA DE TESTES C/ SECADOR - 300W SMART OUTLET SERIAL NUMBER 201
Consumo
Consumo Calculado
Consumo Medido Erro
351,4878 Watts
5,85813 Watts
6 Watts 2%
60 Minutos
1 Minutos
1 Minutos Consumo
Consumo Calculado
Consumo Medido
351,4878 Watts
29,29065 Watts
30 Watts 2%
60 Minutos
5 Minutos
5 Minutos Consumo
Consumo Calculado
Consumo Medido
351,4878 Watts
41,00691 Watts
42 Watts 2%
60 Minutos
7 Minutos
7 Minutos Consumo
Consumo Calculado
Consumo Medido
351,4878 Watts
52,72317 Watts
53 Watts 1%
60 Minutos
9 Minutos
9 Minutos Consumo
Consumo Calculado
Consumo Medido
351,4878 Watts
64,43943 Watts
65 Watts 1%
60 Minutos
11 Minutos
11 Minutos Consumo
Consumo Calculado
Consumo Medido
47
351,4878 Watts
82,01382 Watts
83 Watts 1%
60 Minutos
14 Minutos
14 Minutos Consumo
Consumo Calculado
Consumo Medido
351,4878 Watts
87,87195 Watts
89 Watts 1%
60 Minutos
15 Minutos
15 Minutos
A tabela 5.3 possibilita uma visualização do consumo de um secador com potência
de 300 Watts dentro dos intervalos de tempo com instrumentos de medição, como
amperímetro e voltímetro, nominado como consumo calculado e com o sistema aqui
documentado, chamado de consumo medido. Essas medições são comparadas à
medição de 351,45 Watts realizada no intervalo de 60 minutos, aqui intitulada de
consumo.
Os dados da tabela 5.3 foram transferidos para o gráfico da Figura 5.1 abaixo, nela é
possível observar que tanto a medição por instrumentos quanto pelo sistema são muito
próximas.
Figura 5.1Gráfico da potência pelo tempo com dados da Tabela 5.3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 5 7 9 11 14 15
Medição Instrumentos
Medição Sistema
Potência (Watts) x Tempo (Minutos)
48
6 CONCLUSÃO
Com os resultados obtidos com este projeto, concluiu-se que é possível obter uma
redução substancial no consumo elétrico se for possível identificar onde a energia é
consumida, e essa identificação foi possível por meio do sistema projetado.
O sistema se mostrou estável e com erros de medição melhores que o esperado e
dentro do que era exigido, considerando o ambiente ao qual o projeto de aplica. A
conexão com o banco de dados em poucas vezes demonstrou instabilidade.
O desenvolvimento do projeto poderia ser mais simples caso as restrições
tecnológicas referentes ao PLC não fossem tão altas. Mas com o advento da tecnologia
PLC no Brasil após a regulamentação pela Aneel, é de se esperar que projetos como
este sejam mais fáceis de programar, quanto ao seu hardware, já que durante a
execução deste projeto pode-se constatar a falta de equipamento disponível em solo
nacional, o que acabou por inviabilizar um dos objetivos deste projeto, que seria a
aplicação residencial em larga escala, já que o custo ficou acima do esperado.
O sistema de medição e gerenciamento cumpre com o que foi proposto, porém
durante o desenvolvimento do projeto surgiram algumas formas de melhoria que não
foram implementadas. Destas melhorias surgem possibilidades de continuar o trabalho
proposto neste documento.
Por utilizar uma linguagem da plataforma .Net Framework o sistema de monitoração
é facilmente adaptável para utilização da internet, outra possibilidade é a criação de um
interface embarcada sobre o controlador de dados, desenvolvendo uma solução para que
o uso constante do computador seja evitável mas a interação com usuário mantenha-se
no mesmo nível.
49
7 REFERÊNCIAS
VARGAS, A. A. Estudo Sobre Comunicação de Dados via Rede Elétrica para
Aplicações de Automação Residencial Predial. 2004. Projeto de Diplomação
(Bacharelado em Engenharia da Computação) – Instituto de Informática, UFRGS, Porto
Alegre.
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<http://br.noticias.yahoo.com/s/070920/48/gjewqt.html>. Acesso em: Março de 2009.
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RENNER M. Aneel aprova PLC. BAGUETE, 2009. Disponível em:
<http://www.baguete.com.br/noticiasDetalhes.php?id=3509916>. Acesso em: Nov.
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<http://www.jornalbrasil.com.br/noticia.php?id=1059>. Acesso em: Nov. 2009.
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<http://www.st.com/stonline/products/families/communication/wireline/power_line_tra
nsceivers/related_info/st7540.htm>. Acesso em: Nov. 2009.
CUTEDIGI.COM - How to sense voltage and current, 24 de setembro de 2009.
Disponível em: <http://www.cutedigi.com/article_info.php?articles_id=6>. Acesso em:
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Out. 2009.
50
YITRAN, 2009. Disponível em: <http://www.yitran.com/>. Acesso em: Nov. 2009.
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<http://www.arianecontrols.com/EN/products/powerline_chips/PLM1_chips.htm>.
Acesso em: Nov. 2009.
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Semiconductors, 2009. Disponível em: <http://www.atmel.com/default.asp>. Acesso
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ZEDGRAPH – ZedGraphWiki, 2007. Disponível em:
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plc de baixo custo para comunicações residenciais. III CONNEPI 2008. Fortaleza,
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TEIXEIRA D. R. E. PLC – Power Line Communication. teleco.com.br, Abril, 2005.
Disponível em: <http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialplc/default.asp >. Acesso
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elecomunicacoes.php >. Acesso em: out. 2009.
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COPEL – Balanço Consolidado do Estado do Paraná, 2006, b. Disponível em:
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$FILE/22.3892-2006.gif>. Acesso em: Nov. 2009.
51
COPEL – Taxas e tarifas – Residencial, 2009, c. Disponível em:
<http://www.copel.com/hpcopel/root/nivel2.jsp?endereco=%2Fhpcopel%2Froot%2Fpa
gcopel2.nsf%2F0%2F23bf37e67261209c03257488005939eb#_Section1>. Acesso em:
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LORENZETTI S.A. 2009. Disponível em:
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<http://msdn.microsoft.com/pt-pt/vcsharp/default(en-us).aspx>. Acesso em: Abril.
2009.
OFICINA DA NET – Um pouco sobre C Sharp, 2009. Disponível em:
<http://www.oficinadanet.com.br/artigo/1557/um_pouco_sobre_c_sharp>. Acesso em:
Nov. 2009.
ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Resolução Normativa
Nº 375/2009. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/cedoc/ren2009375.pdf >.
Acesso em: out. 2009
Hotsite PLC Internet pela Rede Elétrica – ANEEL. Disponível em:
<http://www.aneel.gov.br/hotsite/plc/index.cfm>. Acesso em: out. 2009
52
APÊNDICE A <ARTIGO>
Sistema de Monitoração e Gerenciamento do Consumo Elétrico Residencial
Utilizando a Malha Elétrica para Comunicação
Douglas Roberson de Brito, Amarildo Geraldo Reichel (orientador)
Universidade Positivo
Prof. Pedro Viritato Parigot de
Souza, 5300, Campo Comprido,
Curitiba- PR
Resumo. Este documento consiste
no projeto de um sistema para
monitoração e gerenciamento de
consumo de energia elétrica de
dispositivos eletro-eletrônicos em uma
residência, com troca de informações
(dados) entre os dispositivos de
medição e gerenciamento por meio da
rede elétrica, utilizando a tecnologia
PLC (Power Line Communication). O
controle deste sistema será realizado
por um software desenvolvido em
linguagem de programação C Sharp.
Palavras-chave: PLC, Automação
Residencial, Medição de Energia
Elétrica, Gerenciador de Rede Elétrica.
Abstract. This document is about the
project of a system for monitoring and
managing power consumption of
consumer electronics devices in a
residence, exchanging information
(data) between the measurer and
manager through the grid, using the
PLC technology (Power Line
Communication). Control of this system
will be performed by a software
developed in programming language C
Sharp.
Key words: PLC, LinkSprite,
Electrical Energy Measuring, Home
Automation, Electrical Grid
Management.
1. INTRODUÇÃO
Este projeto de desenvolvimento
acadêmico consiste na pesquisa e
desenvolvimento de um sistema para
monitoração e gerenciamento de
consumo de energia elétrica de
dispositivos eletro-eletrônicos em uma
residência, com a utilização da
tecnologia PLC para realizar a
comunicação entre os módulos. O PLC
é uma tecnologia relativamente recente
e vem sendo muito discutida atualmente
53
por duas vantagens muito evidentes, o
baixo investimento em infra-estruturas
devido às já existentes linhas de
energia, assim como o fato social de
democratizar a informação, chegando a
lugares ainda não cobertos pelos atuais
sistemas de internet existentes.
No contexto deste projeto o PLC
facilitará a instalação do sistema já que
não haverá necessidade de novas
estruturas de redes ou cabos.
2. Power Line Communication
(PLC)
Neste projeto foram usados
fundamentos de comunicação de dados
que formam a base da tecnologia PLC,
conceitos de modulação e
multiplexação.
O crescimento da tecnologia
PLC só foi possível com o avanço das
técnicas de modulação, ou seja, devido
à funcionalidade da modulação de
sinais, que transforma estes em formas
adequadas para transmissão através de
um meio físico.
No transmissor quando da
modulação, algum parâmetro da onda
portadora é alterado de acordo com a
mensagem a ser enviada pelo canal de
transmissão. O receptor recria a
mensagem original de acordo com o
sinal recebido (demodulação). Contudo,
a recriação da mensagem original exata
é impossibilitada devido à presença de
ruído e à distorção do sinal recebido.
A modulação FSK (Frequency
Shift Keying) é a frequência utilizada
pelo modem utilizado neste projeto, a
escolha deste modem será discutida
mais adiante.
Esta técnica de modulação
atribui frequências diferentes para a
portadora em função do bit que é
transmitido. Portanto, quando um bit 0 é
transmitido, a portadora assume uma
frequência correspondente a um bit 0
durante o período de duração de um bit.
Quando um bit 1 é transmitido, a
frequência da portadora é modificada
para um valor correspondente a um bit 1
e analogamente, permanece nesta
frequência durante o período de duração
de 1 bit, como mostrado na figura 0.1.
Figura 0.1 Modulação por chaveamento de
frequência
A modulação FSK apresenta a
desvantagem de ocupar uma banda de
frequência bastante alta, devido a estas
variações bruscas de frequência em
função da transição de bits, além de
possibilitar taxas de transmissão
relativamente baixas.
A Multiplexação é a técnica que
permite a transmissão de mais de um
sinal em um mesmo meio físico. Dentre
os tipos de multiplexação podem ser
citados:
• Multiplexação na
frequência (Frequency-Division
Multiplexing - FDM): Sobre o mesmo
canal de transmissão são criados
subcanais cada um utilizando uma faixa
de frequências. No receptor são usados
vários filtros.
• Multiplexação no tempo
Time-Division Multiplexing (TDM):
Sobre o mesmo canal de transmissão
são criados subcanais cada um
utilizando um determinado momento no
tempo.
• Multiplexação por
código Code-Division Multiplexing
(CDM): Sobre o mesmo canal de
transmissão cada sinal é identificado
54
por uma sequência de códigos
diferentes.
3. Projeto
O projeto é composto por três
módulos com responsabilidades
específicas:
• Módulo kit de coleta de dados
(Smart Outlet): Seu objetivo é converter
os dados brutos de corrente e tensão em
informações digitais, e enviá-las através
da rede elétrica.
• Módulo central de dados e
comandos (Control Unit for Smart
Outlet): Seu objetivo é distinguir a
origem dos dados repassando-os para o
computador para o devido
armazenamento.
• Módulo software de pós-
processamento: Seu objetivo é ler as
informações digitais recebidas,
armazenando-as e as transformando em
dados visualizáveis em textos e
gráficos, também deve possibilitar o
controle dos módulos que farão a coleta
dos dados.
4. Hardware
Inicialmente houve necessidade
de pesquisar as opções disponíveis no
mercado, em termos de hardware.
Durante as pesquisas, foram
encontradas soluções diversas, mas
somente uma pode ser levada adiante.
Para a montagem do sistema de
rede PLC, assumimos a estrutura de
rede da figura 0.2.
Figura 0.2 Estrutura da rede PLC.
Segundo dados da LinkSprite, nesta
estrutura de rede, pode-se conectar até
65535 módulos de coleta de dados para
cada central de dados e comandos. Na
figura 0.2 o Control Unit for Smart
Outlet é representado pelo PLC-UART
ligado ao Data concetrator, que nada
mais é que o computador, e os Smart
Outlets são representados pelo bloco
“Power meter|PLC-UART” já que esse
possui ambas as funções.
O controle de cada Smart Outlet
é feito por meio do Control Unit for
Smart Outlet ligado a um micro
controlador ou computador por conexão
serial, no caso do projeto um
computador, utilizando comandos AT,
que são enviados pela rede elétrica
utilizando o modem de comunicação
PLC.
Para a medição do consumo, a
programação do MCU que se encontra
no Smart Outlet é feita para que,
quando receber uma requisição, seja
efetuado o cálculo de potência com os
valores de tensão, pré-determinado por
um jumper para trabalhar em 110 V ou
220 V, e corrente que o sensor de
corrente, representado pela figura 0.3,
retornar.
55
Figura 0.3 Circuito medidor de corrente.
Na figura 4 é possível verificar o
diagrama funcional básico do Control
Unit for Smart Outlet.
Figura 0.4 Diagrama funcional básico do
Control Unit for Smart Outlet (Control Unit for
Smart Outlet).
3. Software
O software é desenvolvido em
C# com a utilização do Microsoft
Visual Studio 2008 para seu
desenvolvimento e funciona em
plataforma Windows.
A metodologia utilizada para a
análise do software foi a Análise
Orientada a Objeto, utilizando partes da
UML para documentar o software.
Segundo a metodologia de Análise
Orientada a Objeto, primeiramente
foram definidos os casos de uso do
sistema, então foram levantados os
objetos do sistema, seus atributos e
relacionamentos Levantado os objetos e
atributos, então foi possível montar o
diagrama de entidade relacionamento
para o banco de dados, com esta etapa
concluída, foi criado o banco de dados
no SGDB Microsoft SQL Server 2008 e
implementadas as telas e rotinas do
sistema.
Para implementar o sistema, a
primeira abordagem foi levantar os
dados básicos comuns a todo o sistema
enquanto ele estiver rodando; com este
levantamento, foi possível identificar
que um dispositivo “Control Unit for
Smart Outlet” precisa estar conectado e
disponível em comum a todas as abas e
objetos do sistema, por isso chegou-se a
conclusão que o sistema deverá
bloquear as entradas até que um
dispositivo “Control Unit for Smart
Outlet” se torne disponível.
Também se constatou a necessidade
do servidor de dados utilizado estar
disponível e configurado com o
software para a troca segura e estável de
informações, já que em muitas das
opções do software a troca de dados
com o banco de dados é constante.
Depois de configurada a conexão
serial com o “Control Unit for Smart
Outlet” e a conexão com o banco de
dados, o software realiza
automaticamente uma rotina de
verificação dos dados armazenados no
banco, onde o sistema compara a data
atual com a data armazenada no banco
de dados. Essa verificação é realizada
cada vez que se inicia o programa, e as
datas são armazenadas no intervalo de
um mês entre elas. Esse armazenamento
corresponde à função de traçar gráficos
56
relacionados à energia consumida
durante os meses.
Caso o usuário opte por visualizar o
consumo elétrico instantâneo,
primeiramente ele seleciona quais
eletro-eletrônicos, já devidamente
conectados em seus respectivos Smart
Outlets, ele deseja monitorar, o Smart
Outlet responsável receberá o comando
enviado pelo Control Unit for Smart
Outlet e enviará os dados a cada 2
segundos, o software receberá os dados
e traçará um gráfico utilizando a
biblioteca pública ZedGraph,
desenvolvida em C#, para interromper a
monitoração há um botão “parar” na
aba relacionada. Para visualizar os
dados de consumo energético mensal de
um eletro-eletrônico ele poderá
selecionar o mês e o ano além do eletro-
eletrônico desejado, e requisitar pelos
dados armazenados no banco de dados,
o software traçará um gráfico em barras
mostrando o consumo informado.
A última aba disponível no
aplicativo é referente ao gerenciamento
dos equipamentos, onde o usuário
consegue ter o controle de ligar ou
desligar os eletro-eletrônicos, essa
opção ainda pode ser acionada
automaticamente pelo próprio software
caso o usuário o tenha programado para
tal.
4. Resultados
As dificuldades iniciais
encontradas foram com respeito à
pesquisa de um hardware que
cumprisse com as necessidades
propostas. Por ser uma tecnologia em
desenvolvimento, principalmente no
Brasil, há muita dificuldade de
encontrar material em solo nacional.
Desta maneira a proposta inicial de
fazer um sistema com custo baixo foi
praticamente comprometida, já que as
aquisições foram originadas no exterior.
A solução para a escassez de
equipamento disponível foi uma
pesquisa profunda, até encontrar os
dispositivos que, dentro do orçamento
planejado, cumprissem com o que era
necessário.
Já com os dispositivos
devidamente montados em rede, a
dificuldade foi na obtenção de um
aplicativo para iniciar os testes para
verificação básica do sistema de
hardware. Seguindo uma indicação do
responsável técnico pelos equipamentos
foi utilizado o terminal X-CTU da Digi
International. Não sendo um aplicativo
dedicado ao sistema suas aplicações
foram limitadas.
O primeiro teste realizado foi
feito com um sistema de resistores,
variando o valor final da resistência e
desta maneira era obtido valores
diferentes de potência, verificando qual
a acurácia do equipamento quanto à
medida.
Neste primeiro teste foi possível
notar uma grande margem de erro nas
medidas feitas pelo equipamento. Mas
esse erro foi atenuado à medida que a
potência era maior, revelando que a
sensibilidade do aparelho não era tão
boa. Essa característica não consta na
folha de dados do equipamento, sendo
somente descrita a potência máxima de
2000 Watts.
Durante os testes do software
junto com o sistema, aquele se mostrou
estável realizando medições mais exatas
e com menor taxa de erro.
5. Conclusão
Com os resultados obtidos com
este projeto, concluiu-se que é possível
obter uma redução substancial no
consumo elétrico se for possível
identificar onde a energia é consumida,
e essa identificação foi possível por
meio do sistema projetado.
57
O sistema se mostrou estável e
com erros de medição dentro de uma
margem aceitável, já que a exatidão dos
dados não era extremamente
importante. A conexão com o banco de
dados em poucas vezes demonstrou
instabilidade, e o motivo para tal não foi
possível identificar.
O desenvolvimento do projeto
poderia ser mais simples caso as
restrições tecnológicas referentes ao
PLC não fossem tão altas. Mas com o
advento da tecnologia PLC no Brasil
após a regulamentação pela Aneel, é de
se esperar que projetos como este sejam
mais fáceis de programar, quanto ao seu
hardware, já que durante a execução
deste projeto pode-se constatar a falta
de equipamento disponível em solo
nacional, o que acabou por inviabilizar
um dos objetivos deste projeto, que
seria a aplicação residencial em larga
escala, já que o custo ficou acima do
esperado.
6. Trabalhos Futuros
O sistema de medição e
gerenciamento cumpre com o que foi
proposto, porém durante o
desenvolvimento do projeto surgiram
algumas formas de melhoria que não
foram implementadas. Destas melhorias
surgem possibilidades de continuar o
trabalho proposto neste documento.
Por utilizar uma linguagem da
plataforma .Net Framework o sistema
de monitoração é facilmente adaptável
para utilização da internet, outra
possibilidade é a criação de um
interface embarcada sobre o controlador
de dados, desenvolvendo uma solução
para que o uso constante do computador
seja evitável mas a interação com
usuário mantenha-se no mesmo nível.
7. REFERÊNCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
VARGAS, A. A. Estudo Sobre
Comunicação de Dados via Rede
Elétrica para Aplicações de
Automação Residencial Predial. 2004.
Projeto de Diplomação (Bacharelado
em Engenharia da Computação) –
Instituto de Informática, UFRGS, Porto
Alegre.
LORENZETTI S.A. 2009. Disponível
em:
<http://www.lorenzetti.com.br/resistenc
ias.asp#015>. Acesso em: Nov. 2009.
CUTEDIGI.COM - How to sense
voltage and current, 24 de setembro de
2009. Disponível em:
<http://www.cutedigi.com/article_info.p
hp?articles_id=6>. Acesso em: Nov.
2009.
MALBURG M. M. Modulação. 2004.
Trabalho final de Redes I –
Departamento de Engenharia
Eletrônica, UFRJ, Rio de Janeiro.
Disponível em:
<http://www.gta.ufrj.br/grad/04_2/Mod
ulacao/index.html>. Acesso em: Nov.
2009.
PINHEIRO J.M.S. Técnicas de
Modulação em Redes de
Telecomunicações.
projetoderedes.com.br, Fevereiro,
2005. Disponível em:
<http://www.projetoderedes.com.br/arti
gos/artigo_tecnicas_modulacao_em_red
es_de_telecomunicacoes.php >. Acesso
em: out. 2009.
BERNAL V. B. Transmissão de
Informação – Multiplexação.
www.lsi.usp.br/~volnys. Disponvel em:
<http://www.lsi.usp.br/~volnys/courses/
redes/pdf/04MULT-col.pdf >. Acesso
em: out. 2009.
58
APÊNDICE B <MANUAL>
1 REQUISITOS
O Software é relativamente leve e não é necessário um computador exigente. Os
testes do software foram feitos em um computador com processador Core 2 Duo e
memória RAM de 4GB, nesta configuração o software não exigiu mais que 25MB
de memória e 5% de processamento.
Aconselha-se utilizar um computador com no mínimo:
- Processador acima de 500MHz
- 512 MB Memória RAM
2 INSTALAÇÃO
Para instalar o Software do Trabalho de Conclusão de Curso precisamos dos
seguintes pré-requisitos:
Microsoft .NET Framework 3.0 pode ser feito o download em:
http://www.microsoft.com/downloads/details.aspx?FamilyID=333325fd-
ae52-4e35-b531-508d977d32a6&DisplayLang=pt-br
Microsoft SQL Server Express, pode ser feito o download em:
http://www.microsoft.com/downloads/details.aspx?FamilyID=08e52ac2-
1d62-45f6-9a4a-4b76a8564a2b&DisplayLang=pt-br
Driver do dispositivo UART - PLC. Pode ser feito o download em :
http://www.linksprite.com/pub/CP210x_VCP_Win2K_XP_S2K3.zip
Após as instalações dos aplicativos acima, pode ser feita a instalação do
Software do Trabalho de Conclusão de Curso.
Executar o arquivo Setup.exe.
59
Clicar em Next
Clicar em Next
Clicar em Next
60
Aguardar a instalação
Clicar em Close
Após esse procedimento está instalado o aplicativo.
3 Executando o Aplicativo
Antes de inicializar o aplicativo deve-se conectar o Control Unit for Smart Outlet ao
computador. Esta é a única configuração necessária, já que o próprio software
reconhece a porta utilizada.
Na área de trabalho ou desktop foi criado um atalho com nome de Projeto Final, de
dois cliques nele e Irá aparecer a seguinte tela:
61
Trata-se da tela principal, com a aba de configuração aberta. Nela é possível fazer o
cadastro de módulos PLC e Eletro-eletrônicos.
Aba de consumo instantâneo, nela é possível traçar o consumo instantâneo de
acordo com o eletro-eletrônico selecionado.
62
Aba de consumo mensal. Selecione o ano, mês e eletrodoméstico para trazer um
gráfico com o consumo mensal.
Aba de programação, nela é possível gerenciar os eletros, ligando-os ou desligando-
os, além de poder agendar uma data para que o próprio programa o faça.
