Sistema de Monitoração e Gerenciamento do Consumo Elétrico
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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 4.1 PROJETO ......................................................................................................... 29 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 eletroeletrônico 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. Tensão Medida Corrente Medida com Resistência (Ohms) com voltímetro (V) 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. 𝑅2 𝑃= 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 Consumo 351,4878 Watts 60 Minutos Consumo 351,4878 Watts 60 Minutos Consumo 351,4878 Watts 60 Minutos Consumo 351,4878 Watts 60 Minutos Consumo 351,4878 Watts 60 Minutos Consumo SMART OUTLET SERIAL NUMBER 201 Consumo Calculado 5,85813 Watts 1 Minutos Consumo Calculado 29,29065 Watts 5 Minutos Consumo Calculado 41,00691 Watts 7 Minutos Consumo Calculado 52,72317 Watts 9 Minutos Consumo Calculado 64,43943 Watts 11 Minutos Consumo Calculado Consumo Medido 6 Watts 1 Minutos Consumo Medido 30 Watts 5 Minutos Consumo Medido 42 Watts 7 Minutos Consumo Medido 53 Watts 9 Minutos Consumo Medido 65 Watts 11 Minutos Consumo Medido Erro 2% 2% 2% 1% 1% 47 351,4878 Watts 60 Minutos Consumo 351,4878 Watts 60 Minutos 82,01382 Watts 14 Minutos Consumo Calculado 87,87195 Watts 15 Minutos 83 Watts 14 Minutos Consumo Medido 89 Watts 15 Minutos 1% 1% 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. Potência (Watts) x Tempo (Minutos) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 5 7 9 11 14 Medição Instrumentos Medição Sistema Figura 5.1Gráfico da potência pelo tempo com dados da Tabela 5.3 15 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. YAHOO! Brasil Notícias - Como reduzir o consumo de energia? Disponível em: <http://br.noticias.yahoo.com/s/070920/48/gjewqt.html>. Acesso em: Março de 2009. INICIATIVA VERDE – Calculadora. Disponível <HTTP://iniciativaverde.org.br/pt/calculadora>. Acesso em: Março de 2009. em: IPPUC – Curitiba em Dados. Disponível em: <HTTP://ippucnet.ippuc.org.br/Bancodedados/Curitibaemdados/anexos/2000_Santa%2 0Felicidade%20-%20%20Dados%20Habitacionais.pdf>. Acesso em: Março, 2009. RENNER M. Aneel aprova PLC. BAGUETE, 2009. Disponível em: <http://www.baguete.com.br/noticiasDetalhes.php?id=3509916>. Acesso em: Nov. 2009. JORNAL BRASIL - ST anuncia chip transceptor integrado para sistemas de controle e comando, 11 de fereiro de 2009. Disponível em: <http://www.jornalbrasil.com.br/noticia.php?id=1059>. Acesso em: Nov. 2009. STMicroeletronics - Power Line Transceivers ST7540, 2009. Disponível em: <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: Nov. 2009. HIGH TECH HORIZON, 2009. Disponível em: <http://www.hth.com/>. Acesso em: Out. 2009. 50 YITRAN, 2009. Disponível em: <http://www.yitran.com/>. Acesso em: Nov. 2009. ARIANE CONTROLS – Power Line Communications, 2009. Disponível em: <http://www.arianecontrols.com/EN/products/powerline_chips/PLM1_chips.htm>. Acesso em: Nov. 2009. ATMEL Corporation – Industry Leader in the Design and Manufacture of Advanced Semiconductors, 2009. Disponível em: <http://www.atmel.com/default.asp>. Acesso em: Nov. 2009. ZEDGRAPH – ZedGraphWiki, 2007. Disponível <http://zedgraph.org/wiki/index.php?title=Main_Page>. Acesso em: Nov. 2009. em: MAGALHÃES D. M. V.; ARAÚJO R. R. Desenvolvimento de um protótipo de modem plc de baixo custo para comunicações residenciais. III CONNEPI 2008. Fortaleza, Ceará. 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 em: out. 2009. PINHEIRO J.M.S. Técnicas de Modulação em Redes de Telecomunicações. projetoderedes.com.br, Fevereiro, 2005. Disponível em: <http://www.projetoderedes.com.br/artigos/artigo_tecnicas_modulacao_em_redes_de_t elecomunicacoes.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. 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/Modulacao/index.html>. Acesso em: Nov. 2009. COPEL – Saldo de intercâmbio energético, 2006, a. Disponível <http://www.copel.com/hpcopel/root/pagcopel2.nsf/arquivos/126_saldointercambio/$FILE/126_saldo-intercambio.jpg>. Acesso em: Nov. 2009. em: COPEL – Balanço Consolidado do Estado do Paraná, 2006, b. Disponível em: <http://www.copel.com/hpcopel/root/pagcopel2.nsf/arquivos/balanco_energetico_2006/ $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: Nov. 2009. LORENZETTI S.A. 2009. Disponível <http://www.lorenzetti.com.br/resistencias.asp#015>. Acesso em: Nov. 2009. em: MICROSOFT – SQL Server 2008, 2008. Disponível em: <http://www.microsoft.com/brasil/servidores/sql/prodinfo/default.mspx>. Acesso em: Nov. 2009. MSDN – Visual C# Developer Center, 2008. Disponível em: <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 <http://www.aneel.gov.br/hotsite/plc/index.cfm>. Acesso em: out. 2009 em: 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. 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. Palavras-chave: PLC, Automação Residencial, Medição de Energia Elétrica, Gerenciador de Rede Elétrica. 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 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 Key words: PLC, LinkSprite, Electrical Energy Measuring, Home Automation, Electrical Grid Management. 1. INTRODUÇÃO 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 (PLC) 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. Communication 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 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 diferentes. sequência de códigos 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 pósprocessamento: 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 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. 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 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 durante os meses. consumida 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 eletroeletrônico 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=333325fdae52-4e35-b531-508d977d32a6&DisplayLang=pt-br Microsoft SQL Server Express, pode ser feito o download em: http://www.microsoft.com/downloads/details.aspx?FamilyID=08e52ac21d62-45f6-9a4a-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 desligandoos, além de poder agendar uma data para que o próprio programa o faça.
