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Anais do XVIII Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178
Anais do III Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
24 e 25 de setembro de 2013
MEDIÇÃO DE ENERGIA COM REDE DE SENSORES SEM FIO
Carolina Fernandes Frangeto
Pontifícia Universidade Católica de Campinas
CEATEC
[email protected]
Resumo:
Este trabalho, em caráter de renovação, tem como
objetivo desenvolver um protótipo que poderá ser
utilizado para o monitoramento de potência elétrica
em dispositivos conectados à rede de baixa tensão,
através de uma arquitetura de rede de sensores sem
fio, configurando-se como uma “smart-grid” de pequeno porte para medição inteligente de energia.
Alexandre de Assis Mota
Eficiência Energética – Gerenciamento de Redes de
Teleinformática Planejamento Integrado e Gestão de
Sistemas de Infraestrutura Urbana - CEATEC
[email protected]
Tensão para medição inteligente de Energia Elétrica
– por Carolina Fernandes Frangeto), mas no qual
foram necessárias algumas alterações:

A troca dos resistores do divisor resistivo, foi
utilizado um resistor de potência de 330K e
um resistor de 3,3K, Assim foi obtida uma
tensão de saída de no máximo 3 volts, se
encaixando então na entrada de qualquer
microcontrolador de 3,3 volts ou 5 volts como, por exemplo, o Radiuino e o Arduino
respectivamente.

Foi feita uma troca do capacitor do filtro capacitivo, aumentando então sua capacitância, com o objetivo de tirar a tensão de Ripple, durante os testes foi utilizado um capacitor de 2200uF.
Palavras-chave: Sensores sem fio, Identificação não
Intrusiva, Medição Inteligente de Energia.
1. INTRODUÇÃO
Com o grande aumento do uso de equipamentos de
telecomunicações hoje em dia, torna-se pertinente a
quantificação do consumo de energia desses equipamentos. Esse consumo de energia pode estar diretamente ligado à qualidade da rede na qual se transfere os dados e características de desempenho da
rede como, por exemplo, relação sinal-ruído, perda
de pacotes e necessidade de retransmissão de dados, dessa maneira pode haver um aumento do consumo de energia necessário para a realização da
troca de informações. Dada a sua grande utilização
nas redes atuais, esse plano de Iniciação Científica
tem como objetivo a elaboração de um medidor de
energia para implementar um sistema sem fio para
monitoramento do consumo de energia. Para isso
temos como objetivo, obtermos uma medida em
Watts fazendo a junção dos dois sensores, por meio
da programação do micro controlador, que multiplicara o valor de tensão pelo de corrente, por tanto colocaremos as duas saídas desses valores nas entradas de um micro controlador.
Figura 1 - Tensão de Ripple.

Foi incluído um diodo zenner, com tensão de
3,3 volts, para proteção, não permitindo tensões acima de 3,3volts na entrada do microcontrolador.

Para alimentar os amplificadores operacionais que retificam a onda senoidal da rede,
foi necessário o desenvolvimento de uma
fonte simétrica de +12 volts e -12 volts.
2. METODOLOGIA
2.1. Sensor de Tensão
Foi utilizado um protótipo desenvolvido num trabalho
de iniciação cientifica anterior (Sensor Eletrônico de
A figura 2 apresenta o diagrama esquemático da
fonte de tensão simétrica. Já a figura 3 mostra o esquemático do medidor de energia, com o sensor de
tensão e o sensor de corrente.
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ativa, que é decorrente de toda a energia que resulta
em trabalho real em determinado equipamento, conforme a Equação (1).
(1)
Figura 2 - Esquemático do protótipo da fonte simétrica.
2.4. Radiuino
O radiuino é uma plataforma livre para criação de
rede de sensores sem fio (RSSF), contemplando
hardware, firmware e software, e baseado na plataforma Arduino. A comunidade de desenvolvimento
tem por objetivo criar aplicações de fácil utilização
para construção de (RSSF) de forma amigável. A
ideia é permitir que pessoas, mesmo sem grande
experiência em programação, consigam montar sua
solução de rede de sensores.O hardware nada mais
é do que um Arduino integrado a um transceptor
CC1101 da Texas Instruments e controlado por um
microcontrolador ATMEGA 328 da Atmel. Os testes
iniciais da plataforma se deram em 2010 utilizando
um Arduino Duemilanove conectado a um shield com
o transceptor CC1101 (Figura 5).
Figura 3 - Esquemático medidor de energia, sensor de tensão e o
sensor de corrente.
2.2. Sensor de Corrente
A princípio foi utilizado um sensor desenvolvido em
um trabalho anterior (Sensor Eletrônico de Corrente
para medição de consumo de energia em redes – por
Aline Maria da Silva). No entanto, a revisão bibliográfica e tecnológica revela que existe uma nova tecnologia para medir a corrente a partir do efeito hall; assim, as pesquisas foram reiniciadas a partir do sensor de corrente, ACS712A mostrado na figura 4.
Figura 5 - Sensores sem fio rodando Radiuino.
2.5. Software
Figura 4 - Sensor de corrente ACS712A.
2.3. Potência
Os cálculos da potência são feitos a partir do produto
de duas grandezas físicas, tensão e corrente. Para
este projeto foi levado em conta apenas a potência
A plataforma Radiuino utiliza a IDE do Arduino. Portanto, todas as facilidades permitidas pelo ambiente
de desenvolvimento do Arduino podem ser utilizadas
nos desenvolvimentos com o Radiuino. O firmware
foi estruturado em camadas de protocolo, semelhante ao TCP/IP, com 5 camadas. Desta forma o desenvolvedor poderá identificar qual a função que deseja
trabalhar e implementar seu código na camada adequada (Radiuino.cc, 2014). Exemplos são apresentados na figura 6.
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3.4 Testes com Radiuino
Os testes foram iniciados, porém não totalmente
concluídos. Puderam ser comprovadas as condições
de transmissão sem fio e cálculo da potência/energia
no microcontrolador, mas não houve tempo hábil para implementar as funções de controle. As figuras 12
e 13 ilustram esses testes e a calibração realizados.
Figura 6 - Código de programação do Radiuino na base e no
sensor.
2.6. Arduino
Trata-se de uma plataforma de prototipagem de
hardware livre baseada no microcontrolador Atmega328. A linguagem usada na programação é C/C++.
Tem como diferencial o desenvolvimento e aperfeiçoamento de software e hardware por uma comunidade que divulga seus códigos de forma livre, num
sistema open-source. O modelo utilizado foi o Arduino UNO que é aconselhável para quem está iniciando os trabalhos com a plataforma, é um dos modelos
em que está mais em conta para aquisição. É possível realizar diversos projetos com ele, desde que não
necessitem de várias portas.
Figura 7 - Teste em bancada com o sensor de tensão juntamente
com o protótipo da fonte simétrica de +12 e -12 volts.
3. RESULTADOS
3.1 testes com sensor de tensão
Esse teste em bancada foi conduzido com o sensor
de tensão após as alterações, com a inclusão do diodo Zenner para proteção, alteração dos resistores
divisores de tensão, para reduzir a tensão até no máximo para 3 volts, e a substituição do capacitor do
filtro capacitivo para um de 2200uF, pois estava com
Ripple excessivo. Como é possível ver nas figuras 7
e 8, a onda ficou totalmente retificada e sem a tensão
de Ripple.
3.2 Teste com sensor de corrente
Foram feitos testes para comprovar o efetivo funcionamento do sensor, e sua saída foi verificada a a
partir do Arduino, conforme a figura 9.
3.3 Testes com arduino
No arduino, foi necessário desenvolver um código,
ilustrado nas figuras 10 e 11, para que sua saída digital de 0 a 1023 (10 bits), referente a -30A a +30A, se
apresentasse de 0 a 30A para o usuário.
Figura 8 - Imagem do osciloscópio no momento do teste, onda
senoidal amarela referente a rede e a onda totalmente retificada
na saída do circuito em azul.
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Figura 9 - testes com o sensor de corrente no Arduino.
Figura 13 - Calibração do código do sensor de corrente para o
Radiuino.
4. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Figura 10 - Código do sensor de corrente para o Arduino.
Figura 11 - Testes com o sensor de corrente no Arduino.
A partir do sensor de tensão (figura 14) foi possível
medir a tensão necessária para se obter o valor da
energia consumida, usando o produto dos valores
obtidos do sensor de tensão juntamente com o sensor de corrente. A tabela 1 foi obtida a partir do teste
com o resistor variável, medindo a tensão na entrada, que seria a rede sendo variada através do resistor variável, e a tensão na saída (figura 15). A partir
desses dados, foi obtida uma curva dos resultados
das medições (figura 16). Com esse gráfico da curva
de resposta da tensão medida e do gráfico das medições de corrente, pode-se obter a equação da reta e
definir um padrão de proporcionalidade entre a uma
tensão de entrada (0 a 220 volts) e a tensão de saída
(0 a 3 volts) e, com isso, torna-se possível medir o
consumo de energia.
Figura 14 - Esquemático do medidor de tensão parcial.
Figura 12 - testes com o sensor de corrente no Radiuino.
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Figura 17 - Gráfico E-S do transdutor de corrente.
Figura 15 -Teste do sensor de tensão com resistor variável.
5. CONCLUSÃO
Pode-se concluir que é possível medir o consumo de
energia com rede de sensores sem fio com com o
Radiuino, ou fazer a medição com qualquer outro
microcontrolador que opere com tensão de até 3
volts. Considera-se que a continuidade concedida
nesse trabalho de iniciação cientifica foi fundamental
para a conclusão do trabalho.
AGRADECIMENTOS
Tabela 1 - Tabela de valores de tensão de entrada e saída.
A Figura 16 ilustra o gráfico feito a partir dos dados
colhidos durante os testes com o sensor de tensão, e
nele pode-se observar a linearidade dos resultados.
Já a figura 17 apresenta a característica do sensor
de Efeito Hall utilizado.
Figura 16 - Gráfico E-S do transdutor de tensão.
Agradeço ao Professor Dr. Alexandre de Assis Mota
pela oportunidade e apoio como orientador, aos funcionários do laboratório do CEATEC, Técnico Daniel
Braga por toda contribuição, e aos colegas do grupo
de pesquisa.
REFERÊNCIAS
[1] Boylestad, R.L., Nashelsky, L. (2004). Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Prentice
Hall. São Paulo (SP).
[2] SADIKU, MATHEW N. O. "Elementos de Eletromagnetismo". 3ª Edição. Editora Bookman. Porto
Alegre, 2004.
[3] BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. “Instrumentação e Fundamentos de Medidas”. 2ª
Edição. Vol. 1. Editora LTC. 2010.
[4] Allegro Micro. “Current IC Sensors”. Disponível
em:
http://www.allegromicro.com/en/Products/Current
-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-IntegratedConductor-Sensor-ICs.aspx. Acessado em 07 de
junho de 2013.
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[5] Branquinho, O. C. (2011). Plataforma Radiuino
para estudos em Redes de Sensores Sem Fio.
Capturado online de http:// www.radiuino.cc, em
30-09-2011.
[6] ACS712. Data sheet: Fully Integrated, Hall EffectBased Linear Current Sensor IC with 2.1 kVRMS
Isolation and a Low-Resistance Current Conduc-
tor. Rev 15, 2012. Disponível em:
http://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datas
heets/ACS712-Datasheet.ashx.