Camada de Sensoriamento

O Projeto e o Desenvolvimento da Camada de Sensoriamento contemplaram a tecnologia de Rede de Sensores Sem Fio e consistiram em proporcionar inteligência embarcada aos objetos do sistema de iluminação, assim como ao ambiente do LAMPA.

Projeto

Para o contexto de aplicação definido, foram consideradas inicialmente as recomendações do OpenEnergyMonitor, apresentadas na Seção Materiais (p.93) do Capítulo

2 – Materiais e Métodos, em relação aos componentes de hardware necessários para o

sensoriamento de dados ambientais e do sistema de iluminação. Os materiais recomendados foram avaliados e, em sua maioria, incorporados no projeto, sendo aqueles substituídos ou adaptados indicados a seguir. Em definitivo, utilizou-se: (i) Placa de Microcontrolador NodeMCU; (ii) Adaptador CA-CA 9V; (iii) Resistores de 10k Ohm, 100k Ohm, 120k Ohm e

470k Ohm; (iv) Capacitores de 10uF; (v) Sensores da Família SCT-013; (vi) Sensor DHT22; e (vii) Protoboard e Jumpers.

Devido à demanda pela introdução de componentes que proporcionassem a comunicação desses dados através de uma rede sem fio, realizou-se a substituição do Arduino (ARDUINO, 2017) por outra placa de microcontrolador: o NodeMCU19 (Figura 39a). A avaliação dos recursos de ambas as placas, que justificaram esta substituição, está disponibilizada no Apêndice D. Destaca-se que a programação do NodeMCU também pode ser realizada na IDE desenvolvida para Arduino, permitindo o acesso a seu extenso repertório de bibliotecas. Assim, a versão 1.8.4 da IDE foi adotada como ambiente de programação de software. Entre os 10 modelos de sensores de Corrente Alternada (CA) da família SCT-01320 (Figura 39b), que divergem em faixa de operação, foi adquirido o SCT-013-020 (até 20A) da YHDC, devido à sua disponibilidade no Brasil e precisão ao medir valores menores de corrente. Essa definição dispensou os resistores burden como componentes, uma vez que são utilizados somente com o modelo SCT-013-000 (até 100A). Realizou-se, também, a substituição do sensor DS18B20, módulo de temperatura, pelo sensor DHT2221 _{da AOSONG}

(Figura 39c). O DHT22, módulo de umidade e temperatura, foi adquirido, além de sua disponibilidade e possibilidades de medição, devido à simplicidade de montagem e implementação.

Figura 39 - Componentes de Hardware Utilizados

a-Placa de Microcontrolador NodeMCU

b-Modelo de Sensor da Família SCT-013

c-Modelo de Sensor DHT22 Fonte: NodeMCU (2017), YHDC (2017) e AOSONG (2017).

19 _{O NodeMCU é uma placa de código aberto e de baixo custo, pré-fabricada com o chip ESP8266. Esse chip}

possui 3 protocolos de comunicação Wi-Fi (802.11/b/g/n) que facilitam a prototipagem em IoT e a tecnologia máquina-a-máquina (M2M) (NODEMCU, 2017).

20 _{Os sensores de CA da família SCT-013 são transformadores não-invasivos, capazes de medir cargas de até}

100 Ampères (A). O recurso não-invasivo é a principal vantagem na utilização destes sensores, por permitir a medição de corrente sem demandar acesso ao circuito interno e/ou a adaptação do sistema de iluminação (YHDC, 2017).

21 _{O sensor DHT22 é um módulo de umidade e temperatura que possui internamente um sensor capacitivo de}

umidade, um termistor (para o cálculo de temperatura), além de um conversor analógico-digital para o envio de dados. Sua faixa de medição para umidade é de 0% a 99.9% e para temperatura é de -40ºC a 80ºC. Por sua vez, a precisão de medição consiste em 5% para umidade e +/- 0,5 °C para temperatura (AOSONG, 2017).

Desenvolvimento

A montagem física inicial do protótipo envolveu a interconexão dos componentes supracitados (Figura 39) a uma protoboard, por meio de jumpers. No que se refere ao software implantado no NodeMCU, foram definidas 3 bibliotecas na IDE do Arduino: (i) a EmonLib, que agrega funções de cálculo para extração de valores (ex. potências real e aparente, fator de potência, etc.) e calibração dos sensores SCT-013-020; (ii) a DHT.h, que realiza a leitura de valores de umidade e temperatura e os converte em porcentagem (%) e grau Celsius (ºC), respectivamente; e (iii) a WiFi.Client, utilizada para conectar o NodeMCU à rede Wi-Fi disponível e viabilizar a comunicação e transmissão dos dados com os servidores.

No âmbito da eletricidade, a biblioteca EmonLib demandou a calibração dos sensores SCT-013-020 para executar suas funções. Assim, foram realizados testes funcionais de calibração apresentados a seguir, na Subseção 4.2.2 – Avaliação: 1º Ciclo. Esses sensores foram empregados no monitoramento das 6 luminárias de modelo Lumicenter CAA-01-S23 existentes no LAMPA, que comportam 2 lâmpadas de especificação TLD 32W/850-NG (Made in Brazil C Super 85 B8) em cada. Após esses procedimentos, foi possível calcular a Potência Aparente, equivalente a S, das luminárias monitoradas em Volt-Ampère (VA), conforme a função:

S[VA] = I[A].V[V]

onde, I é igual à Corrente Elétrica em Ampère (A) e V é igual à Tensão Elétrica em Volts (V). Para calcular o valor da potência ativa em Watts (W), foi necessário multiplicar o valor da potência aparente pelo Fator de Potência (FP) da lâmpada. No contexto do laboratório, as lâmpadas possuem FP de valor 0,85. Inicialmente, os cálculos das funções da biblioteca foram realizados atribuindo-se como constante de tensão o valor de 220V, correspondente à tensão média da rede elétrica. Entretanto, durante os testes funcionais de calibração dos sensores, verificou-se oscilações significativas nos valores de tensão da rede com o Multímetro DT830D da TOZZ (Figura 40).

Figura 40 - Aferição de Tensão da Rede Elétrica com Multímetro DT830D da TOZZ

Fonte: A autora.

A introdução do adaptador CA-CA de 9V como componente de hardware ampliou a precisão dos cálculos através da medição da tensão real da rede (em substituição ao valor correspondente à tensão média). Devido à entrada analógica do NodeMCU aceitar somente um pico de tensão de 3.3V, foi necessário criar um circuito divisor de tensão para evitar danos ao microcontrolador. Assim, o protótipo em desenvolvimento passou a adquirir os valores precisos de medição de corrente alternada e tensão da rede elétrica e extrair valores em tempo real de potência ativa de cada luminária monitorada do laboratório.

No âmbito dos dados ambientais, a biblioteca DHT.h realizou as conversões de valores de umidade em porcentagem por meio da função readHumidity() e de temperatura em grau Celsius (ºC) por meio da função readTemperature(). Por sua vez, a biblioteca WiFi.Client viabilizou a conexão sem fio entre o NodeMCU e o roteador do laboratório. A conexão foi ratificada através de verificação na Porta Serial da IDE, comparando-se o Internet Protocol (IP) do roteador ao IP no qual o NodeMCU foi conectado.

Após a validação do protótipo para coletar e agregar dados, e de sua conexão com a rede Wi-Fi do laboratório de pesquisa, procurou-se otimizá-lo e aprimorá-lo para aplicação real. Tendo em vista que o NodeMCU possui apenas uma entrada analógica, somente um equipamento (ex. uma luminária) estaria apto a ser medido por microcontrolador. Assim, identificou-se a possibilidade de solucionar esta limitação com a expansão das portas analógicas do NodeMCU, através da introdução do Circuito Integrado (CI) TC4051. O CI TC4051 é um multiplexador/demultiplexador analógico de 8 canais, que demanda 3 portas digitais e 1 porta analógica do NodeMCU. Seu código de implementação é simples e seu uso aplicado apresenta interferências mínimas entre os sensores. Para ratificação de sua introdução como novo componente de hardware no protótipo, foram realizados testes funcionais de avaliação de desempenho do CI TC4051 – apresentados a seguir, na Subseção 4.2.2 – Avaliação: 1º Ciclo.

Com a aplicação do CI TC4051, o NodeMCU pôde ser ampliado para 8 portas analógicas, solução eficaz e de baixo custo que proporcionou a um único microcontrolador monitorar todo o sistema de iluminação do LAMPA – 6 luminárias no total, distribuídas em 2 circuitos – bem como seus dados ambientais de umidade e temperatura. Finalmente, visando a instalação do protótipo, foi necessário realizar a extensão de cabos dos sensores SCT-013- 020. Este conjunto finalizado está apresentado no diagrama esquemático da Figura 41.

Figura 41 - Diagrama Esquemático de Hardware do Protótipo na Protoboard

Legenda: (1) NodeMCU; (2) Sensor DHT22; (3) CI TC4051; (4) Módulo para medir Tensão: resistores de

pullup e pulldown, capacitor para filtro, conector e associação de resistores atuando como divisor de tensão; (5)

Módulo para medir Corrente replicado 6 vezes: capacitor para filtro, resistores de pullup e pulldown, e conector. Fonte: A autora.

Por conseguinte, enfatiza-se como produto da Camada de Sensoriamento a parte de hardware definitiva do protótipo e sua conexão Wi-Fi com o servidor do ambiente de instanciação – no caso, o roteador do LAMPA.