FUNCIONAMENTO DA REDE SEM FIO DE MEDIDORES INTELIGENTES

Antes de mostrar o funcionamento do protótipo desenvolvido da rede sem fio é necessário esclarecer dois pontos importantes: os pacotes de mensagens trocados pelo microcontrolador e o medidor, e o cálculo do período de tempo dessa mensagem. Seguindo o protocolo MODBUS-RTU os bytes devem ser enviados na sequência : endereço escravo, código da função, bytes de dados e código CRC, como mostra a Figura 18. Tomando o medidor DRT-202C para exemplificar temos como endereço escravo F6h, que vem de fábrica mas pode ser alterado e a função 03h, que representa a função de leitura de um número variável de registradores retentivos. Para essa função são passados dois parametros no bytes de dados: o endereço do

Figura 16: Protótipo do sistema utilizado para testes.

Fonte: Autória própria

primeiro registrador (011Eh) e a quantidade de registradores a serem lidos a partir dele (0002h), desse modo o medidor entende que deve ler em sequência dois registradores a partir do endereçado em 011Eh. Com base nesses bytes é calculado o código CRC que garante a integridade dos dados. Dessa forma se configura uma mensagem que o medidor entende como uma solicitação do valor em Kwh do consumo total registrado por ele. Para o medidor DDM100SRC, o que muda é o baud rate que é 1200, e os endereços do escravo na rede e do registrador de energia ativa que são 77h e 0024h respectivamente.

Figura 17: DRT-202C conectado ao Circuito Interface desenvolvido.

Fonte: Autória própria

Figura 18: Pacote da mensagem entre o microcontrolador e o medidor DRT-202C.

Fonte: Autória própria

na velocidade de transmissão como pode ser visto na Figura 19, que ilustra o envio da mensagem em função do tempo. Definindo que a rede irá transmitir a uma velocidade

de 9600 bps, a velocidade de transmissão de um bit será de 0.104ms, e multiplicando esse valor pela quantidade de bits de um caractere (11), e depois por 3,5 tem-se o resultado dado pela Equação 1.

Tempo_{_repouso = 3,5 ⇤ (velocidade_bit ⇤ 11) = 3.5 ⇤ (} 1

9600 ⇤11) = 4,004ms (1) Portanto se os transmissores suspenderem o envio por 4,004 ms a rede entra no estado de repouso (idle), e possibilita o início de uma nova mensagem. Desse modo a mensagem deve ser transmitida continuamente, com um intervalo menor que 4,004ms entre o envio dos caracteres (32,1ms para o DDM100SCR).

Figura 19: Exemplo de envio de uma mensagem em função do tempo.

Fonte: Autoria própria.

O processo de solicitação do valor de energia ativa passa por duas etapas de comunicação, sem fio e com fio, sendo a primeira entre os dispositivos Xbee e a segunda entre os dispositivos do Circuito Interface.

O software de testes exibe todos os nós (casas) que estão conectados ao Xbee coordenador ligado ao PC. Para requisitar o valor atual de energia ativa o usuário seleciona uma das opções, então o programa envia para a rede a sequência de 3 bytes “R”, “E” e “A” (Requisição Energia Ativa) em ASCII e o nó destino. A topologia de rede malha permite que nós roteadores se comuniquem entre si, desse modo, a rede Zigbee encontrará o caminho mais curto entre o nó coordenador e o nó destino.

Os dados que chegam ao Xbee da casa são direcionados a um microcircuito que faz a interface com o medidor eletrônico e retorna o dado que foi requisitado. No circuito montado e ilustrado na Figura 14 é possível ver o Xbee que conecta o microcircuito com a rede sem fio, o PIC (16F877A) que faz o controle do sistema, os MAX485 que fazem a conversão bidirecional RS232-RS485, e o medidor eletrônico (DRT-202C) que fornece o valor atual de energia ativa da residência. É possível destacar também a rede RS485, onde o PIC é o mestre e o Xbee e o medidor são os escravos.

acontece o fluxo de dados nesse microcircuito. Nesse diagrama “METER_RS485” representa o valor lógico dado pela diferença entre os terminais A e B do medidor eletrônico, “XBEE_TX” representa o barramento serial transmissor (DOUT) e “XBEE_RX” o receptor (DIN), “PIC_TX” representa o barramento serial transmissor (TX) e o “PIC_RX” o receptor (RX), “MAX1_DE” e “MAX1_RE’” representam os pinos de controle do MAX485_XBEE e “MAX2_DE_RE’” representa os pinos de controle (conectados entre si) do MAX_PIC.

Como é possível observar nas Figuras 20 e 21 a comunicação entre os dispositivos acontece na seguinte ordem: Xbee para o PIC (S1-S4); do PIC para o medidor (S8-S15); o retorno do medidor para o PIC (S20-S28); o retorno do PIC ao Xbee (S33-S36). Nesse diagrama de tempo a frequência de clock é de 9.6 KHz referente ao baud rate da comunicação serial utilizada (9600 bits por segundo), isto significa que cada pulso de clock equivale ao envio de um bit. Portanto cada estado ’S’ dura o período de 8 pulsos de clock,ou seja, cada estado dura o período de envio de um byte. Nota-se também que existe um intervalo ao fim de cada comunicação do PIC com o medidor, necessário pela definição do protocolo MODBUS, que a rede deve ficar em silencio por 4,004ms ou mais.

O microcontrolador prepara a rede para receber a solicitação do Xbee, configurando o MAX_XBEE no modo transmissor (DE=RE’=1) e o MAX_PIC no modo receptor (DE=RE’=0). Desse modo os dados enviados pelo Xbee partem do seu pino de saída (DOUT) e passam pela rede RS485 através do MAX485 até chegar ao microcontrolador. O PIC armazena cada byte que recebe até encontrar ‘\r’ (tabela ASCII equivalente a 0Dh), que nesse sistema representa o fim da mensagem do coordenador, e compara o pacote recebido ao valor “REA”, referente ao comando de Requisição de Energia Ativa. Se confirmado é iniciada a rotina que irá retornar o total do consumo de energia registrado pelo medidor em kilowatts hora.

Em seguida a configuração da rede é mudada: MAX_PIC no modo transmissor (DE=RE’=1) e MAX_XBEE desabilitado (DE=0; RE’=1), de modo que o Xbee não receba nem envie mensagens para a rede RS485. Então o PIC envia para o DRT-202C o comando de leitura de registrador, definido pelo protocolo MODBUS, dado pela sequência da Figura 18. Então o PIC configura a rede para receber a resposta, invertendo os sinais do MAX_PIC (DE=RE’=0).

Ao interpretar o comando solicitado o medidor retorna o valor dos registradores 011Eh e 011Fh que armazenam um total de 4 bytes, que em sequência representa o total de energia ativa mensurado. Esses dados são estruturados de acordo com

a norma de resposta do protocolo MODBUS, dada na Figura 18, destacando os valores do bytes de dados onde 04h é quantidade de bytes que o pacote de dados contém e 00000128h o valor registrado (1,28 Khw). O PIC recebe essa sequência de bytes, aplica o teste de código CRC para garantir a integridade do pacote e extrai as informações necessárias.

O microcontrolador reabilita o MAX_XBEE no modo de receptor (DE=RE’=0) e o MAX_PIC no transmissor (DE=RE’=1) para enviar o valor de energia ativa. Por fim os bytes de dados (00h 00h 01h 28h) são enviados através da rede RS485 de volta ao Xbee que envia esse retorno para o coordenador e a rede é preparada para receber uma nova solicitação e repetir todo o processo.

O protocolo Zigbee se encarrega de enviar o pacote de dados para o Xbee coordenador. Por fim o software coordenador reconhece e lê esse retorno, e converte cada byte para decimal, concatenando os quatro valores recebidos por ordem de chegada, o que resultará no valor de energia ativa mensurado pelo medidor eletrônico DRT-202C, 1,28 Kwh nesse exemplo.

Figura 20: Diagrama de tempo do fluxo de dados na comunicação no circuito (Solicitação).

Fonte: Adaptado do softwareTimingAnalyser.

O software de testes foi desenvolvido em linguagem de programação Java que possibilita o desenvolvimento de uma interface gráfica intuítiva e que permite

Figura 21: Diagrama de tempo do fluxo de dados na comunicação no circuito (Resposta).

Fonte: Adaptado do softwareTimingAnalyser

a utilização da biblioteca Xbee-api. Esta biblioteca facilita a recepção de multiplos pacotes de entrada e saída no modo API, compatível com Xbee Serie 2, e retorna um objeto que contém valores analógicos e digitais, endereço de remetente e valores RSSI. Apesar de funcionar no modo API é capaz de enviar também comandos AT.

Quando solicitado os valores obtidos a partir da leitura dos medidores eletrônicos chegam ao Xbee coordenador, que está conectado ao PC, e podem ser vistos na Figura 22. O software de testes exibe a lista dos nós da rede Zigbee nomeados "CASA_01"e "CASA_02", referentes ao DDM100SCR e DRT-202C respectivamente. E seus valores podem ser vistos na area do programa destinada a exibir o valor de cada medidor (1,28 Kwh para DRT-202C e 0,36 Kwh para o DDM100SCR).

Figura 22: Software de testes.

5 CONCLUSÕES

O Circuito Interface desenvolvido funcionou de forma satisfatória, de modo que conseguiu atender aos seus requisitos, mantendo o tamanho físico relativamente pequeno, de modo que este microcircuito de interfaceamento pode ser compactado em um adaptador, para ser acoplado a qualquer medidor eletrônico que possua um barramento de entrada e saída, fornecendo uma funcionalidade inteligente ao medidor, que, além das funções básicas de medição de energia, pode se conectar à outros medidores e manter uma comunicação bidirecional com coordenador da rede.

O correto funcionamento do Circuito Interface possibilitou ao medidor eletrônico uma capacidade de comunicação sem fio através de uma rede Zigbee. De forma que o software do PC conectado ao coordenador pode monitorar todos nós da rede em tempo real.

Em uma aplicação prática o PC utilizado no protótipo pode ser substuído por um sistema embarcado de dimensões menores, que seja capaz de controlar um Xbee coordenador. Também é necessário memória suficiente para executar as funções de expansão da rede implementadas pelo Xbee (many-to-one e source routing). Desse modo seria possível projetar esse sistema para uma área equivalente a de um bairro, que pode ser aplicada a primeira etapa da Rede Inteligente apresentada.

Para trabalhos futuros pode ser projetado um Circuito Interface configurável, que possua a flexibilidade de adapatar o microcontrolador de acordo com o medidor ao qual será conectado. Essa configuração poderá ser feita através de comandos remotos, sem a necessidade de alterar o código fonte do microcontrolador.

A rede sem fio de medidores inteligentes projetada e desenvolvida é apenas um passo inicial de um projeto que pode ser aplicado em escalas maiores, como a expansão para indústrias, hospitais ou shoppings. A aplicação dessa nova tecnologia pode trazer benefícios significativos no gerenciamento da rede elétrica de uma cidade. Analisando todas as vantagens apresentadas, além a economia de energia, pode-se concluir que o investimento nesse novo conceito smart grid é uma necessidade para o desenvolvimento do país.

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