Anais do XVIII Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178Anais 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. No entanto. O firmware foi estruturado em camadas de protocolo. 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). com 5 camadas. semelhante ao TCP/IP.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 ativa.Esquemático do protótipo da fonte simétrica. sensor de tensão e o sensor de corrente. Potência Os cálculos da potência são feitos a partir do produto de duas grandezas físicas. ACS712A mostrado na figura 4.5.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. e baseado na plataforma Arduino. Radiuino O radiuino é uma plataforma livre para criação de rede de sensores sem fio (RSSF). Figura 3 . 2.Sensor de corrente ACS712A. contemplando hardware.Sensores sem fio rodando Radiuino. A comunidade de desenvolvimento tem por objetivo criar aplicações de fácil utilização para construção de (RSSF) de forma amigável. Portanto. firmware e software.2.4. a revisão bibliográfica e tecnológica revela que existe uma nova tecnologia para medir a corrente a partir do efeito hall. mesmo sem grande experiência em programação. Desta forma o desenvolvedor poderá identificar qual a função que deseja trabalhar e implementar seu código na camada adequada (Radiuino. assim.3. . conforme a Equação (1). (1) Figura 2 . 2014). Figura 5 . Os testes iniciais da plataforma se deram em 2010 utilizando um Arduino Duemilanove conectado a um shield com o transceptor CC1101 (Figura 5). consigam montar sua solução de rede de sensores. Para este projeto foi levado em conta apenas a potência A plataforma Radiuino utiliza a IDE do Arduino. que é decorrente de toda a energia que resulta em trabalho real em determinado equipamento. 2. tensão e corrente. Exemplos são apresentados na figura 6. todas as facilidades permitidas pelo ambiente de desenvolvimento do Arduino podem ser utilizadas nos desenvolvimentos com o Radiuino. A ideia é permitir que pessoas. Software Figura 4 .Esquemático medidor de energia.cc. 2. as pesquisas foram reiniciadas a partir do sensor de corrente. 2. conforme a figura 9. e sua saída foi verificada a a partir do Arduino. Figura 6 .2 Teste com sensor de corrente Foram feitos testes para comprovar o efetivo funcionamento do sensor. 3.Teste em bancada com o sensor de tensão juntamente com o protótipo da fonte simétrica de +12 e -12 volts. se apresentasse de 0 a 30A para o usuário. porém não totalmente concluídos. A linguagem usada na programação é C/C++. 3.3 Testes com arduino No arduino. É possível realizar diversos projetos com ele. desde que não necessitem de várias portas. As figuras 12 e 13 ilustram esses testes e a calibração realizados. ilustrado nas figuras 10 e 11. pois estava com Ripple excessivo. Como é possível ver nas figuras 7 e 8. para que sua saída digital de 0 a 1023 (10 bits).Imagem do osciloscópio no momento do teste. a onda ficou totalmente retificada e sem a tensão de Ripple. .1 testes com sensor de tensão Esse teste em bancada foi conduzido com o sensor de tensão após as alterações. Arduino Trata-se de uma plataforma de prototipagem de hardware livre baseada no microcontrolador Atmega328. e a substituição do capacitor do filtro capacitivo para um de 2200uF. num sistema open-source. 3.Código de programação do Radiuino na base e no sensor. referente a -30A a +30A. com a inclusão do diodo Zenner para proteção. O modelo utilizado foi o Arduino UNO que é aconselhável para quem está iniciando os trabalhos com a plataforma. Puderam ser comprovadas as condições de transmissão sem fio e cálculo da potência/energia no microcontrolador. para reduzir a tensão até no máximo para 3 volts. alteração dos resistores divisores de tensão. RESULTADOS 3. Tem como diferencial o desenvolvimento e aperfeiçoamento de software e hardware por uma comunidade que divulga seus códigos de forma livre. Figura 8 . 2. mas não houve tempo hábil para implementar as funções de controle.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 3. Figura 7 . é um dos modelos em que está mais em conta para aquisição. foi necessário desenvolver um código.4 Testes com Radiuino Os testes foram iniciados. onda senoidal amarela referente a rede e a onda totalmente retificada na saída do circuito em azul.6. foi obtida uma curva dos resultados das medições (figura 16).Esquemático do medidor de tensão parcial. que seria a rede sendo variada através do resistor variável. . A partir desses dados.testes com o sensor de corrente no Radiuino.Calibração do código do sensor de corrente para o Radiuino. ANÁLISE DOS RESULTADOS Figura 10 . A partir do sensor de tensão (figura 14) foi possível medir a tensão necessária para se obter o valor da energia consumida. Figura 11 .Testes com o sensor de corrente no Arduino. 4. com isso. medindo a tensão na entrada. usando o produto dos valores obtidos do sensor de tensão juntamente com o sensor de corrente. Figura 12 . e a tensão na saída (figura 15). A tabela 1 foi obtida a partir do teste com o resistor variável. Figura 14 . Com esse gráfico da curva de resposta da tensão medida e do gráfico das medições de corrente.Código do sensor de corrente para o Arduino. torna-se possível medir o consumo de energia.testes com o sensor de corrente no Arduino. 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.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 Figura 9 . Figura 13 . Tabela de valores de tensão de entrada e saída. AGRADECIMENTOS Tabela 1 . O. CONCLUSÃO Pode-se concluir que é possível medir o consumo de energia com rede de sensores sem fio com com o Radiuino. MATHEW N. “Current IC Sensors”. [3] BALBINOT. 2004. “Instrumentação e Fundamentos de Medidas”. Editora Bookman. São Paulo (SP).L.. Considera-se que a continuidade concedida nesse trabalho de iniciação cientifica foi fundamental para a conclusão do trabalho. Acessado em 07 de junho de 2013. aos funcionários do laboratório do CEATEC. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. A.aspx. Editora LTC.allegromicro. 2010. "Elementos de Eletromagnetismo". Já a figura 17 apresenta a característica do sensor de Efeito Hall utilizado. Técnico Daniel Braga por toda contribuição. V. L.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 Figura 17 . R. e nele pode-se observar a linearidade dos resultados. Vol. e aos colegas do grupo de pesquisa. Alexandre de Assis Mota pela oportunidade e apoio como orientador. ou fazer a medição com qualquer outro microcontrolador que opere com tensão de até 3 volts. 1. 2ª Edição. A Figura 16 ilustra o gráfico feito a partir dos dados colhidos durante os testes com o sensor de tensão. [2] SADIKU.Gráfico E-S do transdutor de corrente. 3ª Edição. Prentice Hall. REFERÊNCIAS [1] Boylestad..com/en/Products/Current -Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp-IntegratedConductor-Sensor-ICs.Gráfico E-S do transdutor de tensão. 5. [4] Allegro Micro. Figura 16 . Nashelsky. Porto Alegre. BRUSAMARELLO. (2004). J. Figura 15 -Teste do sensor de tensão com resistor variável. Disponível em: http://www. Agradeço ao Professor Dr. . Capturado online de http:// www. Disponível em: http://www. [6] ACS712.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 [5] Branquinho.radiuino.ashx. 2012. Hall EffectBased Linear Current Sensor IC with 2. . Rev 15. (2011). C. O.cc.1 kVRMS Isolation and a Low-Resistance Current Conduc- tor.allegromicro. em 30-09-2011. Plataforma Radiuino para estudos em Redes de Sensores Sem Fio.com/~/media/Files/Datas heets/ACS712-Datasheet. Data sheet: Fully Integrated.