DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CLEITON PIOVESAN
SISTEMA DE MONITORAMENTO PARA CONSUMO DE ENERGIA
RESIDENCIAL
Ijuí 2017
SISTEMA DE MONITORAMENTO PARA CONSUMO DE ENERGIA
RESIDENCIAL
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista
Orientadora: Prof. Me. Taciana Paula Enderle
Ijuí 2017
SISTEMA DE MONITORAMENTO PARA CONSUMO DE ENERGIA
RESIDENCIAL
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista
Prof. Me Taciana Paula Enderle UNIJUI
Banca UNIJUI
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me agraciado com o dom da vida me abençoando e conduzindo em todas as etapas da vida.
Agradeço a meus pais, que apesar de todas as dificuldades sempre tiveram sabedoria para me mostrar a importância dos estudos em minha vida.
A minha irmã, que mesmo longe, sempre me apoiou e acreditou na minha capacidade.
A minha esposa e filhos, que me deram força e sempre estiveram ao meu lado, acalmando quando as dificuldades apareceram, vibrando e chorando com minhas vitórias.
Aos meus queridos professores pela competência e seriedade com que conduziram e continuam conduzindo o curso de engenharia elétrica.
A Taciana Paula Enderle, professora e orientadora, por sempre acreditar nas minha ideias, pelo apoio, incentivo, dedicação e paciência durante o desenvolvimento deste trabalho
A UNIJUÍ pelo excelente ambiente oferecido aos seus alunos e os profissionais qualificados que disponibiliza para nos ensinar.
A Creluz por ter nos dado a oportunidade de realizar este curso.
PIOVESAN, Cleiton. Sistema de Monitoramento para Consumo de Energia Residencial. 2017. 103f. Trabalho de conclusão de curso (Engenharia Elétrica) – Universidade Regional do Noroeste do Estado Do Rio Grande do Sul, 2017.
Com a necessidade de otimizar a utilização dos recursos energéticos no país, uma das maneiras mais eficientes ainda é o monitoramento constante sobre consumo. A proposta do presente trabalho consiste no desenvolvimento de um dispositivo capaz de coletar dados sobre o consumo energético residencial, para posterior visualização destes dados pelo consumidor. Para tanto, fez-se necessário o desenvolvimento de concepção de aquisição de dados e de otimização de custos para a implementação do mesmo. Foram utilizados sensores de corrente em cada circuito para aquisição dos dados, bem como a construção de um circuito capaz de coletar tensões e para interpretação destes, utilizou-se o ESP8266 - Nodemcu, cuja a plataforma é livre e de fácil acesso. Os resultados foram promissores, os dados fornecidos pelo sistema implementado propiciaram ao usuário a possibilidade de visualização em tempo real do consumo total de sua residência, de um chuveiro e de uma geladeira. Gerando com isso a oportunidade de redução do próprio consumo de energia elétrica contribuindo para eficiência energética do país.
PIOVESAN, Cleiton. Monitoring System for Residential Energy Consumption. 2017. 103f. (Engenharia Elétrica) – Universidade Regional do Noroeste do Estado Do Rio Grande do Sul, 2017.
With the need to optimize the use of energy resources in the country, the most efficient way is still the constant monitoring of consumption. The purpose of the present work is to develop a device capable of collecting data on the residential energy consumption for later visualization of this data by the consumer. To do so, it was necessary to develop data acquisition design and cost optimization for the implementation of the same. Current sensors were used in each circuit to acquire data, as well as the construction of a circuit capable of collecting voltages and for the interpretation of these, the ESP8266 - Nodemcu was used. The results were very promising, the data provided by the implemented system provided the user with the possibility of visualizing in real time the total consumption of their residence, a shower and a refrigerator. Generating with this the opportunity to reduce its own consumption of electric energy contributing to the country's energy efficiency.
Figura 1 - Gráfico da Evolução da Demanda de Energia Elétrica ... 13
Figura 2 - Microcontrolador ... 23
Figura 3 - Microcontrolador PIC (16F628A)... 24
Figura 4 - Arquitetura Von-Neumann ... 25
Figura 5 - Arquitetura Harvard (Microcontroladores PIC) ... 25
Figura 6 - Microcontrolador Atmega328 ... 26
Figura 7 - Diagrama de Blocos do ATmega328 ... 27
Figura 8 - Evolução dos Microcontroladores ARM ... 28
Figura 9 - Raspberry Pi 2 ... 30
Figura 10 - Plataforma de Desenvolvimento Arduíno ... 31
Figura 11 - Ambiente de Desenvolvimento Integrado do Arduino (IDE) ... 35
Figura 12 - ESP8266 ... 36
Figura 13 - Pinos ESP8266 (NodeMCU) ... 37
Figura 14 - LDR (Light-Dependent Resistors) ... 38
Figura 15 - Relé ... 39
Figura 16 - Forma Construtiva Básica de um Transformador de Corrente ... 40
Figura 17 - Circuito com Resistor Shunt ... 40
Figura 18 - Bobina de Rogowski ... 41
Figura 19 - Funcionamento Sensor Efeito Hall ... 42
Figura 20 - Divisor de Tensão ... 42
Figura 21 - Transformador de Potencial ... 43
Figura 22 - Comunicação Serial Entre Placas Arduino ... 45
Figura 23 - Topologia Estrela ... 46
Figura 24 - Topologia Barramento ... 47
Figura 25 - Algumas aplicações do Bluetooth ... 49
Figura 26 – Diagrama do Projeto ... 51
Figura 27 - Sensor de Corrente SCT-013 ... 56
Figura 28 - Saída do Sensor de Corrente ... 57
Figura 29 - Tensão fornecida pela rede ... 61
Figura 30 - Tensão de Saída do Divisor ... 61
Figura 34 - Circuito Final Aquisição de Tensão ... 65
Figura 35 - ADS1115 ... 68
Figura 36 - Site do Projeto... 74
Figura 37 - Monitoramento ... 75
Figura 38 - Curva de Carga Residência ... 75
Figura 39 - Curva de Carga Geladeira ... 76
Figura 40 - Gráficos Consumo do Chuveiro ... 76
Quadro 1 - Especificações Técnicas ... 33 Quadro 2 - Tensão de Saída na Prática ... 65 Quadro 3 - Custos do Projeto ... 78
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A Ampere
AD Analógico/Digital
ARM Advanced RISC Machine
BD Banco de Dados
CA Corrente Alternada
CFTV Circuito Fechado de Televisão
Cpp Corrente de Pico no Enrolamento Primário Cps Corrente de Pico no Enrolamento Secundário CPU Central Processing Unit
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory EPE Empresa de Pesquisa Energética
F Farad
HTTP Hypertext Transfer Protocol
HVAC Heating, ventilation, and air conditioning
Hz Hertz
I Corrente
I/O In/Out
IDE Integrated Development Environment
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers kWh Quilowatts hora
LDR Light-dependent resistors
MIPS Milhões de Instruções Por Segundo N1 Número de Espiras no Primário
Ne Número de Espiras
P Potência Ativa
Pcon Potência Consumida
PIC Peripherical Interface Controller
RAM Random Access Memory
RF Radiofrequência
RFID Radio-Frequency IDentification RISC Reduced Instruction Set Computer
Rs Resistor Shunt
SGBD Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados
SoC System on Chip
SRAM Static Random Access Memory TC Transformador de Corrente TP Transformador de Potencial
V Volt
V1 Tensão na bobina do Enrolamento Primário V2 Tensão na bobina do Enrolamento Secundário
VRMS Tensão Eficaz
1 INTRODUÇÃO ... 13 1.2 OBJETIVO GERAL ... 15 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15 2 EMBASAMENTO TEÓRICO ... 17 2.1 HISTÓRIA DA AUTOMAÇÃO ... 17 2.1.1 Automação Industrial ... 19 2.1.2 Automação Comercial ... 19 2.1.3 Automação Residencial ... 20 2.2 MICROCONTROLADORES ... 22 2.2.1 PIC ... 24 2.2.3 Atmega328 ... 25 2.2.4 ARM... 27 2.3 PLATAFORMAS DE DESENVOLVIMENTO ... 28 2.3.1 Raspberry PI ... 29 2.3.2 Arduino ... 30 2.3.3 NodeMCU ... 35 2.4 SENSORES E ATUADORES ... 37 2.5 COMUNICAÇÃO ... 44 2.5.1 Serial ... 44 2.5.2 Ethernet ... 45 2.5.3 Wi-Fi ... 47 2.5.4 Bluetooth ... 48 2.6 BANCO DE DADOS ... 49 3 DESENVOLVIMENTO ... 51 3.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ... 51 3.2 SIMULAÇÕES ... 52 3.3 AQUISIÇÃO DE DADOS ... 54 3.3.1 Aquisição de Corrente ... 55 3.3.2 Aquisição de Tensão ... 59 3.4 TRATAMENTO DE DADOS ... 65
3.5 ENVIO DOS DADOS ... 71
3.6 VISUALIZAÇÃO DOS DADOS ... 71
4 RESULTADOS ... 73
APÊNDICES ... 89 ANEXOS ... 102
1 INTRODUÇÃO
O consumo de eletricidade no Brasil vem aumentando cada vez mais, e este é um dos indicadores do desenvolvimento econômico e também do nível de qualidade de vida da sociedade. Infelizmente, o aquecimento econômico não traz apenas o aumento no consumo, também traz a possibilidade de esgotamento dos recursos utilizados para a produção de eletricidade.
A sociedade vem em uma busca constante na melhoria da qualidade de vida, e para que isto ocorra, há uma grande demanda na construção de edificações mais confortáveis, paralelo a isso vem o consumo excessivo de energia elétrica, e como consequência, vários impactos ambientais, dentre eles destaca-se o efeito estufa.
Já fazem alguns anos que cientistas do mundo todo vem alertando para o aquecimento global, e em seus últimos alertas existe uma preocupação muito grande quanto à temperatura global ultrapassar 2º C ou 3º C acima da média histórica.
“A ameaça das mudanças climáticas, provocadas pelo aumento da temperatura global, é o maior desafio ambiental que a humanidade enfrenta nesses tempos, pois coloca em risco a estabilidade social e econômica mundial, com profundas alterações na disponibilidade de recursos naturais e, especialmente, na forma como a energia é produzida.” (GREENPEACE,
2010, p.6).
Segundo o Ministério do Planejamento (2014), os brasileiros verão sua demanda de energia elétrica triplicar até o ano de 2050. Isso significa que cada habitante irá consumir cerca de 7.100 kWh por ano, conforme a Figura 1.
Fonte: (EMPRESA DE PESQUISA ENERÉTICA - EPE, 2016, p.198).
Fontes (2013, p.14) afirma que hoje em dia cerca de um quinto da energia elétrica mundial é produzida por meios hídricos. A China em primeiro lugar na produção e o Brasil vem logo em seguida no segundo lugar.
Um dos maiores desafios para os governantes é a entrega de toda a energia necessária para manter o desenvolvimento social e econômico do país, sem que haja impactos ambientais que comprometam as gerações futuras.
A geração de energias limpas e renováveis já é um ótimo começo, mas não tem tantos efeitos positivos quanto se deseja, além disso, é preciso utilizar racionalmente estes recursos e monitorar qualquer tipo de consumo, e ao mesmo tempo desperdícios.
Devido a este aumento significativo na demanda de energia elétrica, os usuários necessitarão cada vez mais estar atentos e realizar um acompanhamento do consumo em suas residências. Este acompanhamento permite uma verificação diária do consumo, e esta informação pode ser revertida em ações para um consumo consciente.
Com a exigência de equipamentos mais econômicos e eficientes no mercado e as políticas impostas aos fabricantes para atenderem a esta demanda, os usuários necessitam de informações em tempo real sobre o consumo de energia de seus equipamentos, para que possam monitorá-los e conferir resultados, como a redução na conta de energia elétrica. Mas para isto ser possível, os consumidores precisam ser abstraídos de questões técnicas, sem muito esforço e de forma prática, terem condições de atingir este objetivo.
Equipamentos encontrados no mercado geralmente possuem vários componentes, grandes dimensões e precisam ser importados. Além disso, sua interface não é adaptada para consumidores brasileiros, pois apresentam informações em outros idiomas e muitos só possuem suporte na moeda corrente do país de origem.
A falta de opções mais acessíveis para o consumidor brasileiro verificar o consumo de energia elétrica de seus equipamentos torna necessária uma alternativa nacional, um equipamento com preço acessível e que ao mesmo tempo possua as mesmas características ou até melhores aos dos produtos disponíveis no mercado.
Dadas essas necessidades, este trabalho tem como tema principal o monitoramento de consumo de energia elétrica em uma residência e nos equipamentos e eletrodomésticos da mesma e justifica-se, pois permite monitorar o consumo de equipamentos residenciais. De forma simples e objetiva, os consumidores poderão monitorar o consumo (potência e custo em Reais) de equipamentos residenciais, através de qualquer dispositivo que tenha acesso a internet, como tablets, smartphones, notebooks. Este acesso será feito através de um site hospedado em um servidor específico, onde também serão guardados todos os dados obtidos nas medições.
O usuário terá acesso a várias informações referentes ao seu consumo energético, tais como:
Gráficos sobre o consumo;
Consumo em tempo real, horário, diário, mensal, etc.;
Comparação de consumo entre os equipamentos monitorados.
Por fim, com a possibilidade de monitoramento em sua conta de energia, o usuário conseguirá reduzir o consumo em sua residência ajudando na redução dos impactos ambientais.
1.2 OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem como objetivo geral desenvolver um protótipo que possibilite monitorar o consumo de energia elétrica em uma residência.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Projetar um hardware para a obtenção do consumo de energia em equipamento CA;
• Desenvolver um software para a leitura de consumo de energia;
2 EMBASAMENTO TEÓRICO
2.1 HISTÓRIA DA AUTOMAÇÃO
Teza (2002, p.24) afirma que a automação teve seu início nos primórdios da Humanidade, sem uma data que possa caracterizar como o marco zero.
A automação surgiu com o propósito industrial de substituir algumas atividades manuais por máquinas. Consequentemente surgiram diversos benefícios na produção, tais como a melhor qualidade do produto final, maior produção, produtos uniformes, menores perdas, maior segurança aos operários, entre outros. Com o passar do tempo a automação passou a ser inserida também no ambiente comercial, com o objetivos de reduzir a mão-de-obra, melhorar os controles internos e otimizar o funcionamento das empresas. (FRANCHI et al., 2014, p.4172)
"A Automatização é o processo pelo qual se utilizam dispositivos automáticos, eletrônicos e inteligentes para dar-se a automação dos processos em questão." (TEZA, 2002, p.24).
Considera-se automatização qualquer processo que auxilie o Ser Humano nas suas tarefas do dia a dia, sejam elas comerciais, industriais, domésticas ou no campo. Como exemplo, podemos citar o uso da Roda d'água na automatização do processo de moagem, serrarias, ferrarias e trituração de grãos em geral. (TEZA, 2002, p.24)
Segundo Neto (2011, p.14), um dos principais marcos na evolução das residências foi a introdução da eletricidade, pois esta possibilitou o desenvolvimento de novas tecnologias.
Ainda, pode ser considerado um sistema que emprega processos automáticos que comandam e controlam os mecanismos para seu próprio funcionamento.
O termo Automação Residencial designa e referência a utilização de processos automatizados em casas, apartamentos e escritórios. Podem-se utilizar outras denominações sinônimas, tais como, Automação Doméstica, Automatização Residencial ou Domótica. (TEZA, 2002, p.26)
Também pode se dizer que é um sistema automático de controle onde os mecanismos possibilitam a verificação de seu próprio funcionamento, efetuando
medições e inserindo ajustes ou correções, sem a interferência humana, ou basicamente nenhuma interferência do homem.
Ainda é possível afirmar que é um sistema que faz uso de técnicas computadorizadas ou mecânicas, e tem como objetivo principal a dinamização e otimização dos processos produtivos nos mais variados setores.
Com ela, a diminuição de custos é uma realidade, assim como o aumento na velocidade de obtenção de informações.
Atualmente, a automação está em constante crescimento e ajudando a facilitar o cotidiano das empresas, indústrias e pessoas.
Em seu uso moderno, a automação ainda pode ser definida como uma tecnologia que utiliza comandos programados para operar um dado processo, combinados com retroação de informação para determinar que os comandos sejam executados corretamente.
É muito utilizada em processos onde antes os seres humanos realizavam. Hoje em dia, a automação é encontrada em praticamente todos os lugares, tais como:
• Projetos residenciais; • Projetos comerciais; • Projetos industriais;
• Projetos específicos para estabelecimentos gastronômicos (restaurantes e bares);
• Projetos de condicionamento de energia;
• Projetos de recepção e processamento digital de sinais; • Projetos automotivos;
• Projetos de monitoramento de atletas.
Para um melhor entendimento da automação, pode-se dividi-la em três ramos principais, que são:
• Automação industrial; • Automação comercial; • Automação residencial.
2.1.1 Automação Industrial
Para UNIVATES (2016), Automação Industrial é a aplicação de técnicas, softwares e equipamentos específicos em uma determinada máquina ou processo industrial, com o objetivo de aumentar a sua eficiência.
Essencialmente é escolher dentre as diversas tecnologias que se encontram ao nosso dispor, as que melhor se adaptam ao processo a desenvolver e a melhor maneira de interliga-las para garantir sempre a melhor relação custo/benefício.
O conceito de Automação industrial, aparentemente nasceu na década de 20, quando Henry Ford criou a linha de montagem de um carro chamado modelo T. Sua ideia principal era reduzir os custos de produção e aumentar a produtividade, mas também elevar o nível de segurança para os trabalhadores.
Segundo Rosário (2009, p.38) desde aquela época até os dias atuais, a automação industrial e todo o setor tecnológico estão em um desenvolvimento exponencial.
No começo da automação industrial, como dito anteriormente, os principais objetivos eram a redução de custos e aumento na produtividade, mas com o passar dos anos "passou a ser utilizada para facilitar ou mesmo para realizar por si só tais tarefas." (ROSÁRIO, 2009, p.39).
Normalmente a Automação Industrial é dividida em três níveis:
• Nível de Campo - onde é constituída pelos elementos que serão controlados e pelos elementos de detecção, como exemplo, respectivamente: Motores e Sensores;
• Nível de Controle - Como o próprio nome indica, é o nível onde se encontram os elementos que vão controlar o processo;
• Nível de Supervisão - É composto pelos programas de interface homem-máquina e aquisição de dados.
É o ramo da automação onde ocorre a aplicação de técnicas específicas na otimização de processos comerciais, geralmente utilizando-se mais software do que hardware, tais como: sistemas controle de estoques, contas a pagar e receber, folha de pagamentos, identificação de mercadorias por códigos de barras ou por rádio frequência (RFID), etc.
Automação Comercial pode ser representada como um esforço para transformar tarefas manuais repetitivas em processos automáticos, realizados por uma máquina. Isto quer dizer que, tarefas que são executadas por pessoas e passiveis de erro, como digitação de preço dos produtos, quantidade de itens, uma simples anotação do peso de uma mercadoria ou mesmo o preenchimento de um cheque, na automação comercial são feitas por computador com total eficiência e maior velocidade. (http://www.automacaocomercial.org/)
Os sistemas de automação comercial, geralmente são mais utilizadas nos processos de venda, principalmente no ramo do Varejo.
O software, por meio de suas linguagens de programação é o processo de automação mais utilizado na parte da automação comercial.
Hoje no Brasil, o processo de automação comercial ainda está dando seus primeiros passos, mas está em pleno crescimento. Seu uso mais intenso se dá por cadeias de lojas de bens de consumos duráveis e supermercados. O aumento da utilização da automação comercial é tão significativo, que o público em geral se depara cada vez mais com pequenos negócios totalmente automatizados.
2.1.3 Automação Residencial
Um sistema de automação residencial possui o objetivo de gerenciar todas as informações presentes em uma residência de maneira eficiente. São exemplos: áudio, vídeo, segurança, ar condicionado, iluminação, controle de acesso, consumo de energia, entre outras. (FRANCHI et al., 2014, p.4173)
Automação residencial é a aplicação da técnicas de automação para melhoria no conforto e segurança de residências e conjuntos habitacionais, tais como: Controle de acesso por biometria, porteiro e portões eletrônicos, circuitos Fechados de Televisão (CFTV), controle de luminosidade de ambientes, controle de umidade, temperatura e ar condicionado (HVAC), etc.
A automação residencial, através da utilização de dispositivos eletrônicos e redes de dados, possibilitam o controle remoto de equipamentos e a automatização de processos em uma residência. Ela é capaz de melhorar o estilo de vida dos moradores aumentando o conforto, segurança e eficiência energética. A automação residencial engloba iluminação, entretenimento, segurança, telecomunicações, climatização e sistemas de áudio e vídeo. Pode-se dizer que a automação residencial e a Domótica estão interligadas assim como a automação industrial está com a Robótica (BOLZANI, 2004, p.45).
Pode ser desenvolvida tanto em sistemas simples, proporcionando o controle de um único equipamento quanto em sistemas sofisticados, que agregam o controle de diversas funções e a interação entre vários dispositivos equipamentos. Os acionamentos desses sistemas podem ser feitos por meio de controles remotos, painéis de parede, smartphones e internet.
"A Automação Residencial proporciona o conforto e a conveniência que qualquer ser humano deseja, talvez seja o maior e melhor dos sonhos de consumo almejados." (TEZA, 2002, p.24).
Para Bolzani (2004, p.47), a noção de automação em residências teve como base inicial a automação industrial, mas como a realidade entre as estruturas é muito diferente, está havendo um crescimento na criação de tecnologias específicas para ambientes onde se tem pouco espaço para o uso de grandes centrais controladoras e sistemas de cabeamentos.
Atualmente, a automação está presente em diferentes níveis de atividades do homem, desde as residências, no trânsito, através de sistemas de controle de tráfego e sinalização, nos edifícios comerciais, processos de compra, venda e transportes de bens, processos industriais primários e secundários, e até nas jornadas espaciais.
Em resumo, a mão de obra passa a ser substituída pela mecanização, tornando possível a realização de tarefas difíceis para o homem, ou simplesmente realizando pequenas atividades do dia-a-dia, sempre com o objetivo final de gerar conforto, tornar possível a realização de atividades, aumentar a produção, otimizar o tempo, reduzir gastos e oferecer segurança.
Hoje em dia no mercado, existem sistemas capazes de oferecer uma gama completa de recursos, onde o usuário pode determinar a programação que atenderá melhor suas necessidades. São inúmeras as programações que se pode escolher,
que vão desde um simples sensor de presença até projetos mais audaciosos, como por exemplo, fazer com que todos os eletrodomésticos de uma residência sejam controlados por smartphones onde todos os dispositivos podem ser acionados pela mesma interface, seja ele um controle remoto, telefone ou voz.
Podem também, ativar a programação assim que identificarem o proprietário, ou talvez um usuário cadastrado no sistema.
2.2 MICROCONTROLADORES
Pode-se definir um microcontrolador como um dispositivo que possui microprocessador, memória e periféricos, tudo isso integrado em um mesmo chip (Figura 2).
Muitos projetos, que até a poucos anos eram elaborados com base numa grande quantidade de componentes, podem hoje ser elaborados com base em microcontroladores. Os microcontroladores "fazem tudo", pois podem ser programados para isso. Não se discute, portanto, porque os microcontroladores atraem a atenção dos projetistas modernos e mesmo dos mais veteranos. No entanto, para usar os microcontroladores é preciso conhecer alguns "macetes", como o seu funcionamento, a sua forma de programação e os tipos que existem. (BRAGA, 2016)
Microcontroladores podem ser denominados processadores com memória interna, são habitualmente encontrados em dispositivos que vão desde escovas de dente elétricas até controladores de travagem antibloqueio em automóveis. Uma gama enorme de aplicações tem dado origem a diferentes tipos de microcontroladores com uma variedade de memória interna e circuitos periféricos. Cada tipo de microcontrolador é adaptada para uma determinada aplicação ou tipo de circuito.
"Um microcontrolador é um pequeno computador dentro de um chip. Ele tem tudo que havia nos primeiros computadores domésticos e ainda outras coisas." (MONK, 2013, p.6)
"Os microcontroladores são pastilhas inteligentes, que têm um processador, pinos de entradas/saídas e memória. Por meio da programação do microcontrolador é possível controlar suas saídas, tendo como referência as entradas ou um programa interno." (MARTINS, 2005, p.15)
Figura 2 - Microcontrolador
Fonte: Autoria própria.
Quando um projeto envolve eletrônica, seja ela analógica ou digital, em que é preciso automatizar algo ou torná-lo inteligente, é necessário o uso de microcontroladores, esses componentes são como o processador de computadores de mesa ou notebooks, porém não precisam de memória RAM externa e nem armazenamento para o programa, um microcontrolador já possui internamente memória para o programa, memória RAM para os dados, e uma unidade de processamento, porém obviamente possuem um desempenho muito inferior a um processador utilizado em notebooks e computadores de mesa, até porque o seu propósito é outro.
Hoje em dia os microcontroladores mais utilizados em projetos particulares pessoais são os PIC da Microchip e os Atmega da ATMEL, e apesar de muitas pessoas acharem que o Arduino é um microcontrolador, infelizmente estão enganados, pois o Arduino é uma plataforma de desenvolvimento que utiliza os microcontroladores da ATMEL (Atmega).
Fabricantes de microcontroladores, como Atmel e Microchip, oferecem às famílias de microcontroladores de uso geral. Dentre os tipos de dispositivos de uso geral, há muitas vezes várias configurações disponíveis, tais como, os de 8 bits, 16 bits e de 32 bits. Além disso, os dispositivos de uso geral vêm em memória diferente e configurações de periféricos. Microcontroladores de uso geral normalmente têm um conjunto de características que seriam úteis em uma variedade de aplicações e podem ser projetados para produtos como eletrodomésticos e produtos de consumo.
2.2.1 PIC
Segundo Souza (2005, p.21) é possível definir o microcontrolador PIC (Figura 3) como um pequeno componente eletrônico que contém uma inteligência programável.
Figura 3 - Microcontrolador PIC (16F628A)
Fonte: Site do Fabricante1
O que diferencia os diversos tipos de microcontroladores é: a quantidade de memória interna para armazenar dados e as instruções de programas (memória de programa e memória de dados), a velocidade de processamento, a quantidade de pinos de I/O, a forma de alimentação, os tipos e as quantidades de periféricos, a arquitetura e o conjunto de instruções disponibilizado nos circuitos internos. (MARTINS, 2005, p.15).
Souza (2005, p22) afirma que os microcontroladores PIC tem uma estrutura de máquina interna do tipo Harvard, enquanto outros microcontroladores uma arquitetura do tipo Von-Neumann.
A principal diferença entre as estruturas citadas é a forma como os dados e o programa são processados pelo microcontrolador.
Estrutura Von-Neumann (Figura 4):
"Existe apenas um barramento (bus) interno (geralmente de 8 bits) por onde passam as instruções e os dados." (SOUZA, 2005, p.22).
Figura 4 - Arquitetura Von-Neumann
Fonte: Autoria própria.
Estrutura Harvard (Figura 5):
"Existem 2 barramentos internos, sendo um de dados e outro de instruções." (SOUZA, 2005, p.22).
Figura 5 - Arquitetura Harvard (Microcontroladores PIC)
Fonte: Autoria própria.
2.2.3 Atmega328
Segundo Lima e Villaça (2012, p.17), o Atmega (Figura 6) é um microcontrolador compacto que tem a maior parte das características da família AVR, com uma memória flash de tamanho elevado ao se comparar com microcontroladores AVR com a mesma quantidade de pinos.
Figura 6 - Microcontrolador Atmega328
Fonte: SparkFun2
Principais características:
Baixa potência, com arquitetura RISC avançada;
131 instruções, a maior parte executada em 1 ou 2 ciclos de clock (poucas em 3 ou 4 ciclos);
32 registradores de trabalho de propósito geral (8 bits cada). Alguns trabalham em par para endereçamento de 16 bits;
Operação de até 20 MIPS a 20 MHz;
Multiplicação por hardware em 2 ciclos de clock;
32 kbytes de memória de programa flash de auto programação In-System; 1 kbytes de memória EEPROM;
2 kbytes de memória SRAM;
Ciclos de escrita e apagamento: memória flash 10 mil vezes, EEPROM 100 mil vezes;
Seção opcional para código de boot para programação In-System por boot loader;
Bits de bloqueio para proteção contra cópia de firmware; Tensão de operação: 1,8 - 5,5 V;
Consumo de corrente a 1 MHz (1,8 V, 25 ºC): modo ativo = 0,2 mA e modo Power-down = 0,1 uA. (LIMA; VILLAÇA, 2012, p.17-18)
A Figura 7 mostra o diagrama de blocos do microcontrolador ATmega328:
Figura 7 - Diagrama de Blocos do ATmega328
Fonte: (MONK, 2013, p.10)
2.2.4 ARM
A palavra ARM vem do inglês e significa Advanced RISC Machine, ou em tradução literal para o português, Máquina RISC Avançada, onde RISC que também tem origem no inglês significa "Reduced Instruction Set Computer" ou, em português "Computador com um conjunto reduzido de instruções".
É uma arquitetura de processadores desenvolvida para oferecer bom desempenho sem aumentar o gasto de energia ou o tamanho. Por esse motivo, processadores ARM são largamente utilizados em gadgets compactos, como smartphones, tablets, roteadores e até calculadoras. (TECNOBLOG, 2016)
"O ARM foi criado em 1983 e com o tempo foi ganhando características típicas de processadores para desktops, como núcleos múltiplos e clocks altos. Um exemplo é o Nvidia Tegra 3, que possui quatro núcleos de processamento e chega a 1,5 GHz." (TECNOBLOG, 2016).
ARM é uma arquitetura de processador de 32 bits usada principalmente em sistemas embarcados. São processadores que visam a simplificação das instruções, com o intuito de atingir a máxima eficiência por ciclo, podendo realizar tarefas menores com ciclos mais curtos, e uma maior ordenação das operações dentro do núcleo de processamento. (MARQUES, 2016)
É uma tecnologia amplamente utilizada na informática e em indústrias, seu desenvolvimento se deu visando obter o melhor desempenho possível, com a limitação de ser simples, ocupar pouca área e ter baixo consumo de energia.
Hoje a arquitetura ARM é unanimidade em dispositivos portáteis. Além de estar em 99,9% dos atuais smartphones, é usado em e-book readers (Kindle), video-game portáteis (Nintendo DS e 3DS), players de mídia (toda a família de iPod’s), aparelhos de GPS, etc. (PRADO, 2011).
Desde sua criação, a empresa ARM (mesmo nome dado aos microcontroladores) vem desenvolvendo processadores que possam estagnar as necessidades do mercado. A Figura 8 mostra a evolução dos microcontroladores ARM.
Figura 8 - Evolução dos Microcontroladores ARM
Fonte: (PRADO, 2011).
2.3 PLATAFORMAS DE DESENVOLVIMENTO
São placas compostas por microcontroladores, entradas e saídas digitais, conversores Analógico para Digital (Conversor AD), entradas PWM, que simplificam a prototipação de dispositivos eletrônicos capazes de medir aspectos físicos através de sensores, além de realizar ações através de atuadores ou se comunicar com
outros dispositivos. Estas plataformas são baseadas em microcontroladores, onde os projetos podem ou não ser independentes e de código aberto. Atualmente existem plataformas de desenvolvimento como o Arduino, microcomputadores como o Raspberry PI e o microcontrolador PIC que estão sendo utilizados em sistemas de automação. Estes tem despertado um enorme interesse no meio acadêmico de vários cursos.
2.3.1 Raspberry PI
Segundo Santos (2014, p.21) foi em 2006 que Eben Upton e sua equipe realizaram testes nos primeiros conceitos para o Raspberry Pi (Figura 9), baseados no microcontrolador Atmel ATmega. Em meados de 2011 cerca de 50 placas foram produzidas e serviram como uma plataforma para desenvolvedores que utilizaram para depuração e para fins de demonstração.
Para Santos (2014, p.21) isso significa que a grande maioria dos componentes do sistema, incluindo unidades de processamento gráfico e central, bem como o hardware de comunicações e também o hardware de áudio estão montados em um único componente.
Também é possível dizer que é um dispositivo que permite que pessoas de todas as idades possam explorar a computação para aprender a programar em linguagens como Python.
Em resumo, o Raspberry Pi é uma plataforma de desenvolvimento com dimensões reduzidas.
Figura 9 - Raspberry Pi 2
Fonte: Site do Fabricante3
Esta plataforma de desenvolvimento é capaz de fazer tudo que o usuário esperaria de um computador qualquer, como navegar na internet, reproduzir vídeo de alta definição, fazer planilhas, processamento de texto, e jogar jogos.
É usado por crianças de todo o mundo para aprender como funcionam os computadores, como manipular o mundo eletrônico ao redor deles, e como programar. Além do mais, o Raspberry Pi tem a capacidade de interagir com o mundo exterior, e tem sido usado em uma ampla gama de projetos.
2.3.2 Arduino
A plataforma de desenvolvimento Arduino (Figura 10) foi criada em meados de 2005 pelo professor italiano Massimo Banzi, onde seu principal objetivo era ensinar programação de computadores e eletrônica aos seus alunos.
É uma plataforma de prototipagem eletrônica que está sobre uma licença de hardware livre. A plataforma consiste em uma placa única contendo um microcontrolador e um conjunto de software para programa-lo. O software utiliza-se de uma linguagem de programação padrão com origem essencialmente em C/C++. (FILHO; MORGENSTERN; PADOIN, 2015, p.166).
Em termos práticos, um Arduino é um pequeno computador que você pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. (MCROBERTS, 2011, p.22).
Figura 10 - Plataforma de Desenvolvimento Arduíno
Fonte: Wikipédia4
ARDUINO (2016) afirma que a Plataforma de Desenvolvimento é projetada com um microcontrolador Atmel AVR com suporte de entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão, a qual tem origem em Wiring, e é essencialmente C/C++. Seu principal objetivo é criar ferramentas que são acessíveis, com baixo custo, flexíveis e fáceis de usar por qualquer pessoa com um mínimo de conhecimento. Principalmente para aqueles que não têm alcance aos controladores mais sofisticados e de ferramentas mais complicadas.
O Arduino é uma plataforma de hardware open source, de fácil utilização, ideal para a criação de dispositivos que permitam interação com o ambiente, dispositivos estes que utilizem como entrada sensores de temperatura, luz, som etc., e como saída leds, motores, displays, alto-falantes etc., criando desta forma possibilidades ilimitadas (AMORIM et al., 2011, p.1702-2).
Ainda segundo ARDUINO (2016), um importante aspecto é a maneira padrão que os conectores são expostos, permitindo o CPU ser interligado a outros módulos expansivos, conhecidos como shields. Os Arduinos originais utilizam a série de chips megaAVR, especialmente os ATmega8, ATmega168, ATmega328 e a ATmega1280. Marchesan (2012, p.30-31) afirma que a placa de desenvolvimento Arduino possui várias características, dentre elas, as mais importantes são:
Regulador de tensão de entrada (aceita variações de 6 a 20 Volts);
Saídas de alimentação de 3,3 e 5 Volts (utilizado para ligar outros
componentes);
Fácil conexão nas portas de entrada e saída;
Ambiente de desenvolvimento de algoritmos próprio e upload através da porta USB.
Uma típica placa Arduino é composta por um controlador, algumas linhas de Entrada e Saída, digital e analógica, além de uma interface serial ou USB, para interligar-se ao computador, que é usado para realizar e enviar a programação ao microcontrolador.
Existem vários modelos de plataforma Arduino, cada um com suas características particulares, assim como tamanho e formato.
ARDUINO (2016) lista as plataformas mais utilizadas:
Uno e Leonardo: Basicamente iguais, o que os difere é o microcontrolador. A Plataforma Leonardo utiliza o ATmega32u4 e o UNO utiliza ATmega328; Mega: Possui mais entradas e saídas, ATmega 2560 é o seu controlador; Lilypad: Plataforma com dimensões próximas a de uma moeda, existem 4
versões deste. Utilizam controladores ATmega32u4 e ATmega328; Mini: Se diferencia do UNO apenas pelas suas dimensões;
Micro: Basicamente igual ao Leonardo, mas com dimensões menores; Nano: Pequeno e completo, possui 14 pinos digitais de entrada e saída;
Pro Mini: ATmega168 é o seu controlador e também possui 14 pinos digitais de entrada e saída;
Due: Baseado em um processador ARM de 32 bits, praticamente igual ao Mega, mas com um controlador muito mais poderoso. Chip Atmel SAM3X8E ARM CPU Cortex-M3. Ela tem 54 pinos digitais de entrada / saída, dos quais 12 podem ser usados como saídas PWM e 12 entradas analógicas. Também possui 4 UARTs (portas seriais de hardware), um clock de nada mais que 84 MHz, uma conexão OTG USB, 2 DAC (digital para analógico) , 2 TWI, um conector de fonte, um conector SPI, um conector JTAG, um botão de reset e um botão de apagar.
Yún: Pequena placa com Wifi já integrado;
Robot: Possui alto falante, display de LCD colorido, leitor de cartão, teclado com 5 teclas, compartimento para baterias AA, sensores e etc;
Esplora: Tem som e luzes, e vários sensores de entrada, incluindo um joystick, um controle deslizante, um sensor de temperatura, um acelerômetro, um microfone e um sensor de luz. Ele também tem o potencial para expandir sua capacidade com dois conectores de entrada e saída TINKERKIT, e um soquete para um LCD a cores TFT.
Tre: Ele é baseado no processador da Texas Instrument, o Sitara AM3359AZCZ100 (ARM Cortex-A8) de 1 GHz com 512 MB de memória RAM DDR3, saída de som, saída HDMI, USB Host + dispositivos.
A maioria das placas arduino possui um regulador linear de 5 volts e um oscilador de cristal de 16 MHz, embora alguns esquemas como o LilyPad usem até 8 MHz e dispensem um regulador de tensão embutido, por ter uma forma específica de restrições de fator.
Além de ser microcontrolador, o componente também é pré-programado com um bootloader, o que simplifica o carregamento de programas para o chip de memória flash embutido, em comparação com outros aparelhos que geralmente demandam um chip programador externo. (ARDUINO, 2016)
O Quadro 1 mostra as especificações técnicas do Arduino Uno, que será utilizado neste projeto.
Quadro 1 - Especificações Técnicas
Microcontrolador ATmega328P
Tensão Operacional 5V
Tensão de Alimentação (Recomendado) 7-12V Tensão de Alimentação (Limite) 6-20V
Pinos Digitais E/S 14 (dos quais 6 podem ser saídas PWM
Pinos PWM E/S 6
Entrada Analógica 6
Corrente CC por Pino E/S 20 mA Corrente CC para o pino 3,3V 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328) dos quais 0,5KB são utilizados pelo bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Velocidade de Clock 16 MHz
Fonte: Site do Fabricante5
Ambiente de Desenvolvimento Integrado do Arduino - IDE
A IDE, mostrada na Figura 11 (em inglês Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado em português) do Arduino "é uma aplicação multiplataforma escrita em Java na qual é derivada dos projetos Processing e Wiring" (SEVERO, 2012, p.26).
É esquematizado para introduzir a programação a pessoas não familiarizadas com o desenvolvimento de software. Inclui um editor de código com recursos de realce de sintaxe, parênteses correspondentes e indentação automática, sendo capaz de compilar e carregar programas para a placa com um único clique. Com isso não há a necessidade de editar Makefiles ou rodar programas em ambientes de linha de comando. (SEVERO, 2012, p.26)
Segundo Arduino (2016), "O microcontrolador na placa é programado com a linguagem de programação Arduino, baseada na linguagem Wiring, e o ambiente de desenvolvimento Arduino, baseado no ambiente Processing", com isso é possível criar facilmente muitas operações de entrada e saída.
Existem ao menos duas vantagens no Arduino, que são:
Linguagem de programação simples e acessível – Linguagem mais simples possível para programadores iniciantes e mais flexíveis para usuários profissionais;
Software livre - Qualquer pessoa pode modificar o software desta plataforma. Além disso, o site oficial do arduino contém um book extensivo no qual existem diversos exemplos de códigos que podem ser compartilhados livremente na web.
Figura 11 - Ambiente de Desenvolvimento Integrado do Arduino (IDE)
Fonte: Autoria Própria
2.3.3 NodeMCU
Segundo (OLIVEIRA, 2017), o ESP8266, mostrado na Figura 12, é considerado um microcontrolador que possui um sistema de comunicação WiFi próprio, por esse motivo ele é utilizado como módulo WiFi para outros microcontroladores, como o Arduíno e Raspberry PI por exemplo. Além disso, ele possui um processador próprio que opera em 80 MHz, mas pode operar em velocidades superior. Apesar de ser muito utilizado como módulo WiFi para outros microcontroladores, ele pode ter sua programação gravada tanto com a IDE do Arduino quanto utilizando de sua linguagem nativa, LUA.
Mais especificamente, é um sistema em um chip (SoC) com recursos para
CURVELLO (2015) afirma que o módulo tem:
Conectores GPIO, barramentos I2C, SPI, UART, entrada ADC, saída PWM e sensor interno de temperatura;
Pode operar em 160MHz; Arquitetura RISC de 32 bits;
32KBytes de RAM para instruções; 96KBytes de RAM para dados; 64KBytes de ROM para boot;
Memória Flash SPI Winbond W25Q40BVNIG de 512KBytes; Núcleo baseado no IP Diamand Standard LX3 da Tensilica.
Figura 12 - ESP8266
Fonte: Sparkfun6
Alguns trabalhos já foram realizados visando a utilização desse microcontrolador, com diversas linguagens de programação e objetivos. O ESP8266 possui como vantagem o seu custo reduzido, atualmente pode ser adquirido por 10 reais. Começou a ser comercializado em meados de 2013.
O ESP8266 é fabricado em diversos tipos de modelos que vão desde o ESP8266-01, que é o comumente utilizado até o ESP8266-14. O processador é o mesmo para todos os modelos do módulo, mudando apenas o número de pinos de entrada e saída disponíveis, memória disponível e o espaçamento entre os pinos.
Possui um poderoso recurso de armazenamento que permite integrar os sensores e outros dispositivos específicos de aplicativos através de seus GPIOs.
Seu alto grau de integração em chip permite um circuito externo mínimo, incluindo o módulo frontal, projetado para ocupar uma área mínima de uma placa de circuito impresso.
O NodeMCU (Figura 13) é um firmware de código livre baseado no próprio ESP8266. Como dito anteriormente, ele permite que o controlador seja programado em programação Lua ou através da IDE do Arduino.
Figura 13 - Pinos ESP8266 (NodeMCU)
Fonte: Blog do José Cintra 7
Considerada uma placa muito prática, nela vem praticamente tudo que é necessário para conectar o ESP8266 ao computador e fazer projetos sem complicações. Conta com um conversor Serial USB, um regulador de tensão com corrente suficiente para o ESP8266 e conectores com espaçamento padrão para protoboard.
2.4 SENSORES E ATUADORES
"Sensores são transdutores, ou seja, são conversores de grandezas físicas em sinais elétricos correspondentes." (MORAES, 2003, p.49).
7 Disponível em < http://josecintra.com/blog/programando-nodemcu-esp8266-ide-arduino >. Acesso
Sensores são dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, são chamados de transdutores (BORGES; DORES, 2010, p.5).
Como exemplo de sensor, é possível citar os sensores de luz (Figura 14), mais especificamente o Light-dependent resistors (LDR). Quando há uma grade quantidade de luz incidindo sobre o sensor, sua resistência interna é muito baixa, com isso há fluxo de corrente elétrica, enquanto que quando há pouca luminosidade, sua resistência é elevada, evitando assim a passagem corrente.
Figura 14 - LDR (Light-Dependent Resistors)
Fonte: Site – Rasperry Pi8
"Atuador é um elemento que produz movimento, atendendo a comandos que podem ser manuais ou automáticos, ou seja, qualquer elemento que realize um comando recebido de outro dispositivo, com base em uma entrada ou critério a ser seguido." (BRUGNARI; MAESTRELLI, 2010, p.13).
Como exemplo de atuadores é possível citar o relé (
Figura 15), que é um dispositivo eletromecânico que funciona com pequenas correntes, mas é capaz de controlar circuitos externos que envolvem correntes elevadas. Basicamente formado por uma bobina e um conjunto de contatos.
8 Disponível em <https://www.raspberrypi.org/learning/physical-computing-with-python/ldr/> Acesso
Figura 15 - Relé
Fonte: Universidade Federal de Santa Maria9
Sensores de Corrente
Existem diversos métodos que podem ser utilizados na medição de corrente elétrica, cada método possuí características peculiares. Abaixo alguns dos mais utilizados.
Transformador de Corrente
Segundo Freire (2010, p.7) o transformador de corrente (TC) é formado por dois circuitos elétricos chamados de "enrolamento primário" e "enrolamento secundário", são acoplados através de um circuito magnético onde o enrolamento primário é ligado em série com um circuito elétrico e o secundário é destinado a alimentação de instrumentos para medição, controle e proteção.
Em aplicações de medição, o grau de exatidão dos TCs é especificado com base na operação em regime puramente senoidal, em termos dos erros de relação e de fase, definidos nas normas nacionais e internacionais, como NBR 6856 (ABNT, 1992), C57.13 (IEEE, 1993) e 60044-1 (IEC, 2000). (FREIRE, 2010, p.1).
Seu principal objetivo é reduzir os valores de corrente do lado do primário para níveis que instrumentos ligados ao secundário possam ler. Em resumo, a onda de corrente que reflete no secundário é a mesma que há no primário, mas em escala
reduzida. A Figura 16 mostra como é a forma construtiva básica de um transformador de corrente
Figura 16 - Forma Construtiva Básica de um Transformador de Corrente
Fonte: Autoria própria.
Resistor Shunt
Um dos processos mais utilizados para mensurar a corrente elétrica, consiste em aplicar um resistor shunt em série com um circuito (Figura 17), Higashi (2006, p.4) diz que "a intensidade da corrente é obtida utilizando a lei de Ohm”, conforme a equação (1). Existem algumas desvantagens no uso do resistor shunt para realizar medidas de corrente, e uma delas é a dissipação de energia na forma de calor.
Figura 17 - Circuito com Resistor Shunt
Fonte: Autoria própria. Equação (1) - Lei de Ohm
Equação (1) Onde: V = Tensão (V); R = Resistência em Ohms (Ω); I = Corrente (A). Bobina de Rogowski
Geralmente é constituída com um núcleo com formato toroidal (Figura 18), não magnético por onde passa um condutor. "Trabalha detectando o campo magnético no espaço em torno do condutor e a lei de Ampère fornece a relação entre a passagem de corrente no condutor e o campo magnético em torno dela." (DELBEN, 2008, p.6).
Em resumo, o campo magnético que a corrente alternada produz quando passa pelo condutor, induz uma tensão na bobina.
Figura 18 - Bobina de Rogowski
Fonte: Autoria própria. Sensor Hall
Almeida (2011, p.27) afirma que "o elemento mais básico do sensor de efeito Hall (Figura 19) é um pedaço de um material semicondutor que, ao se aplicar uma fonte de tensão, uma corrente passará por ele", com isso haverá um campo magnético passando perpendicularmente por este material fazendo com que uma tensão nas extremidades deste material seja gerada. A tensão ali produzida é extremamente
pequena e talvez seja necessário um amplificador de corrente.
Figura 19 - Funcionamento Sensor Efeito Hall
Fonte: Site - Newton Braga10
Sensores de Tensão
Existem algumas maneiras de se mensurar a tensão em um circuito. Abaixo serão mostrados dois dos métodos mais utilizados.
Divisor de Tensão
Um dos métodos mais fáceis de mensurar a tensão elétrica é por meio de um divisor de tensão (Figura 20), que segundo a "regra do divisor de tensão" tem a finalidade de dividir a tensão que se deseja mensurar. Para isso, utiliza-se a equação (2), onde Vout (Tensão de Saída) é a tensão que será mensurada, Vin é a Tensão referente à entrada e R1 e R2 são resistores que tem seus valores arbitrados.
"A tensão através de elementos resistivos em série vai se dividir proporcionalmente ao valor de cada resistência em relação ao valor total da série." (BOYLESTAD, 2011, p.126).
Figura 20 - Divisor de Tensão
10 Disponível em
Fonte: Autoria própria.
BOYLESTAD (2001, p. 88) afirma que, “A tensão entre os terminais de um resistor em um circuito em série é igual ao valor desse resistor vezes a tensão total aplicada aos elementos em série do circuito dividida pela resistência total dos elementos em série”.
Equação (2) - Regra do divisor de tensão
Equação (2)
Onde:
Vout = Tensão de Saída (V); R1 e R2 = Resistores (Ω); Vin = Tensão de Entrada (V).
Transformador de Potencial (TP)
Muito utilizado na medição por instrumentos que necessitam que a tensão de entrada seja reduzida a alguns volts.
"O transformador de potencial (Figura 21) geralmente consiste de dois enrolamentos elétricos (circuito primário e circuito secundário), ambos sobre um núcleo magnético." (LACHMAN, 2007, p.16).
Fonte: Autoria própria.
O princípio de operação de um transformador de potencial é baseado na lei de indução de Faraday. De acordo com esta lei, quando o enrolamento primário é conectado em paralelo com a alta tensão a ser medida, um fluxo magnético no núcleo é gerado surgindo no primário uma força eletromotriz auto induzida. Este fluxo magnético é guiado através do núcleo magnético, interagindo o circuito primário com o circuito secundário, resultando na indução de uma tensão no secundário, Com isto é possível medir a alta tensão no primário por meio da tensão secundária, que é proporcionalmente reduzida e galvanicamente isolada do lado da alta tensão (LACHMAN, 2007, p.16).
2.5 COMUNICAÇÃO
A comunicação é um dos aspectos mais importantes em projetos de automação, principalmente a comunicação sem fio, que vem se tornando cada vez mais confiável e assim, sendo uma ferramenta importante.
Segundo ARDUINO (2016), existem vários métodos de comunicação, arduino - computador, sensor - arduino, etc., e neste capítulo serão abordados os métodos de comunicação mais populares.
2.5.1 Serial
O Arduino possuí duas portas separadas para comunicação serial, a porta RX e TX, que significam respectivamente "Receive e Transmit", traduzindo para o português, "Receber e Transmitir".
Figura 22 - Comunicação Serial Entre Placas Arduino
Fonte: Site - OdeloStuff11
A comunicação serial é amplamente utilizada para comunicar o Arduino com outros dispositivos como módulos ZigBee, Bluetooth entre outros. A comunicação com o computador é possível através do conversor serial USB presente nas placas. A biblioteca padrão do Arduino possui uma classe que encapsula algumas funcionalidades para a comunicação serial de modo a facilitar a utilização desta função. (PICORETI, 2014)
Esta comunicação é, sem dúvida, um poderoso recurso que possibilita a comunicação entre a placa e um computador ou entre a placa e outro dispositivo. É através desse canal que é realizado o envio do código para a placa.
O domínio deste tipo de comunicação é fundamental para o desenvolvimento de projetos, pois existem inúmeros dispositivos e módulos que possuem uma interface de comunicação, seja para configuração ou para comandos.
A comunicação serial na plataforma Arduino aliada ao terminal da IDE, se torna uma ótima ferramenta para visualização de dados e Debug durante o processo de desenvolvimento.
2.5.2 Ethernet
11 Disponível em <
Ethernet é uma arquitetura de interconexão para redes locais baseada no envio de pacotes. Segundo Dantas (2002, p.158) a Ethernet foi criada em meados de 1970 pelos engenheiros Bob MetCalfe e David Boggs e sua padronização definitiva no IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ocorreu 10 anos após sua criação como uma rede local de 10 Mbps sob os cuidados do Projeto 802 (trata-se de um conjunto de padrões desenvolvidos pelo IEEE para definir métodos de acesso e controle para redes locais e metropolitanas).
Para Mendes (2015, p.45) o padrão Ethernet é o meio de transmissão mais popular nas redes instaladas e o mais empregado em novos projetos residenciais, comerciais e industriais.
Uma rede Ethernet pode utilizar como meio de comunicação cabos de par trançado ou, ainda, fibras ópticas. Os cabos de par trançado utilizam tensões elétricas para representar os bits 0s e 1s, enquanto a fibra óptica utiliza a luz para representá-los. (MENDES, 2015, p.45)
Segundo Mendes (2015, p.45) é possível transmitir dados tanto sob as topologias em estrela quanto em barramento.
Na topologia em Estrela (Figura 23), todas as conexões partem de um ponto central, normalmente um hub ou switch. É o modelo mais utilizado atualmente.
Figura 23 - Topologia Estrela
Fonte: Site Hardware – História das Redes12
Já na topologia em Barramento (Figura 24), os dispositivos são conectados num sistema linear de cabeamento em sequência. Esse arranjo era usado nas primeiras
12 Disponível em < http://www.hardware.com.br/comunidade/redes-historia/718739/> Acesso em Nov.
gerações de redes Ethernet.
Figura 24 - Topologia Barramento
Fonte: Site Hardware – História das Redes13
Os padrões atuais do protocolo Ethernet são os seguintes: • 10 megabits/seg: 10Base-T Ethernet (IEEE 802.3) • 100 megabits/seg: Fast Ethernet (IEEE 802.3u) • 1 gigabits/seg: Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z) • 10 gigabits/seg: 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae)
2.5.3 Wi-Fi
Apesar de o termo Wi-Fi ser uma marca registrada pela Wi-Fi Alliance, a expressão hoje se tornou um sinônimo para a tecnologia IEEE 802.11, que permite a conexão entre diversos dispositivos sem fio.
A comunicação wireless (sem fio) já está presente há algum tempo no cotidiano das pessoas, tendo sofrido uma enorme expansão nos últimos anos. Apenas recentemente começou a se pensar num padrão específico para se trabalhar com sistemas de monitoração e sensoriamento.
"A principal tecnologia utilizada na construção de redes sem fio de baixo custo é, atualmente, a família de protocolos 802.11, também conhecida entre muitos como Wi-Fi" (FLICKENGER et al., 2006, p.3).
13 Disponível em < http://www.hardware.com.br/comunidade/redes-historia/718739/> Acesso em Nov.
“A distribuição de sinal do Wi-Fi é realizada através da emissão de ondas eletromagnéticas em frequências específicas.” (UNIVERSOTECH, 2016).
Os primeiros tipos de conexão wireless usavam a frequência de 2,4 GHz e tinham um alcance de 2 Mb/s. Um segundo padrão, denominado 802.11b, alcançava taxas de transmissão de até 11 Mb/s e tornou-se popular no mercado, porém sua baixa frequência apresentava problemas devido à interferência de sinal de aparelhos micro-ondas e outros dispositivos eletrônicos.
2.5.4 Bluetooth
Segundo MARTINCOSKI (2003, p.34) a tecnologia Bluetooth teve início em 1994, quando a empresa Ericsson iniciou um estudo para realizar a conexão dos celulares com acessórios sem a necessidade de cabos.
Esta tecnologia permite que computadores, smartphones, tablets e afins troquem dados entre si e se conectem a acessórios como mouses, teclados, fones de ouvido, impressoras e outros a partir de ondas de rádio. A ideia consiste em possibilitar que dispositivos se interliguem de maneira rápida sem uso de cabos, bastando que um esteja próximo do outro.
Bluetooth é o nome de uma especificação global para comunicação sem fio de curto alcance. A tecnologia Bluetooth é resultado da cooperação de diversas empresas, tendo sido inicialmente concebida para substituir cabos de conexão entre dispositivos eletrônicos. Baseada em tecnologia de rádio frequência (RF), a tecnologia Bluetooth busca promover uma solução de baixo custo e baixo consumo de energia para transmissão digital de dados e voz. (MARTINCOSKI, 2003, p.34).
Uma combinação de hardware e software é utilizada para permitir que este procedimento ocorra entre os mais variados tipos de aparelhos. A transmissão de dados é feita por meio de radiofrequência, permitindo que um dispositivo detecte o outro independente de suas posições, sendo necessário apenas que ambos estejam dentro do limite de proximidade (a princípio, quanto mais perto um do outro, melhor).
Os dispositivos Bluetooth operam na banda ISM de 2,4 GHz que corresponde à faixa de 2,4 a 2,4835 GHz. Esta banda de frequências está disponível mundialmente, sendo destinada para usos gerais em aplicações industriais, científicas e médicas (ISM). As bandas ISM não requerem licença para
operação, porém obedecem a um conjunto de especificações sobre interferência e emissão espectral de potência. (MARTINCOSKI, 2003, p.24).
A fim de evitar interferência com outros protocolos que podem estar usando a faixa de 2,45 Giga-hertz, o protocolo do Bluetooth divide a faixa em 79 canais e muda de canal até 1600 vezes por segundo.
Figura 25 - Algumas aplicações do Bluetooth
Fonte: Site Universidade Federal do Rio de Janeiro14
Dentre as aplicações práticas para essa tecnologia, encontramos os telefones celulares, aplicações em computadores e periféricos, indústria automobilística e de eletroeletrônicos, incluindo ainda aplicações nas áreas de entretenimento (jogos), automação residencial e industrial, medicina, etc. (Figura 25).
2.6 BANCO DE DADOS
Para NAVATHE (2005, p.3) um banco de dados é uma coleção de dados relacionados. Os dados são fatos que podem ser gravados e que possuem um significado implícito, como por exemplo, valores obtidos através de sensores, data, hora, nomes e assim por diante. Possuem diferentes tamanhos e podem ser variáveis em relação a sua complexidade. Ainda segundo NAVATHE (2005, p.3) “um banco de dados pode ser gerado e mantido manualmente ou pode ser automatizado.”
Alguns sistemas para gerenciamento de banco de dados (SGBD) mais utilizados atualmente são:
Microsoft SQL Server; Oracle
IBM DB2; PostreSQL; MySQL.
Para o projeto optou-se pela utilização do Banco de Dados MySQL, pela sua facilidade de uso, constante desenvolvimento e atualização, interface simples, e também sua capacidade de rodar em vários sistemas operacionais. O MySQL é protegido por uma licença de software livre, desenvolvida pela GNU. Muito utilizado para sites e programas de cadastro de lojas. Algumas das vantagens deste banco de dados em relação a outros do mesmo porte: tem uma facilidade maior para programação, tem funções mais simples, pode ser totalmente modificado.
3 DESENVOLVIMENTO
Neste capítulo serão abordados os meios utilizados para obtenção de leituras referente a corrente e a tensão, também serão explicados os métodos usados para tratamento, envio e posterior visualização das leituras obtidas.
3.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Para um melhor entendimento de como foi realizado o projeto, a criação de um diagrama de blocos, antes mesmo da simulação, é definitivamente a melhor maneira de entender o problema, apresentar conceitos e funcionalidades do projeto. Diagramas, em linhas gerais, podem ser entendidos como modelos funcionais construídos a partir de especificações preliminares para simular a aparência e a funcionalidade de um projeto a ser desenvolvido, ainda que de forma incompleta
Desta forma, a Figura 26 mostra como é o funcionamento do projeto proposto.
Figura 26 – Diagrama do Projeto
Fonte: Autoria Própria
A ideia do projeto é fazer com que dispositivos instalados em pontos definidos previamente, enviem a um servidor as leituras coletadas por sensores conectados a
eles. A organização destes dispositivos segue a seguinte disposição:
Dispositivos 1 e 2: Coleta de leituras de corrente e tensão nos pontos 1 e 2, que podem ser um chuveiro, forno elétrico, geladeira, climatizador, etc. Dispositivo 3: Coleta de leituras de corrente e tensão em um ponto
próximo ao quadro de medição, para obtenção do consumo total da residência.
Estes dispositivos irão realizar coleta, tratamento e envio dos dados a um servidor, onde serão armazenados os dados.
Observando a Figura 26, é notório que os dispositivos têm dois sensores conectados a eles por meio de condutores, um destes é um sensor de efeito hall não invasivo, mostrado na Figura 27 e o outro é um circuito projetado especialmente para aquisição de tensões, este pode ser visualizado na Figura 34.
O dispositivo 3 está localizado próximo ao quadro de medição, onde estão conectados a ele por meio de condutores, um sensor de corrente também não invasivo, e um circuito para aquisição de tensão. Estes sensores fazem a leitura de dados, onde estas leituras são coletadas e tratadas pelo microcontrolador, obtendo com isso o consumo total da residência para uma futura comparação com as leituras dos outros dispositivos do projeto.
Após a coleta e tratamento de dados, os dispositivos fazem o envio destas informações para um servidor, onde estarão disponíveis ao usuário e poderão ser acessadas por qualquer dispositivo que possua acesso a internet, bem como um navegador instalado.
Para a visualização dos dados, o usuário terá acesso a um site, onde poderá verificar o consumo instantâneo e também poderá fazer comparações entre as leituras coletadas.
3.2 SIMULAÇÕES
Atualmente, a necessidade de se utilizar softwares para análises das condições de funcionamento de circuitos é notória para aqueles que se dedicam à tarefa de projetar circuitos. No caso dos circuitos eletrônicos, normalmente é
