EZEQUIEL DE OLIVEIRA PEREIRA NETTO
REDE DE COMUNICAÇÃO DE MEDIDORES INTELIGENTES SEM FIO
FEIRA DE SANTANA 2014
REDE DE COMUNICAÇÃO DE MEDIDORES INTELIGENTES SEM FIO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado de Engenharia de Computação como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel no Engenharia de Computação da Universidade Estadual de Feira de Santana.
Orientador: Thiago Alberto Barbosa
FEIRA DE SANTANA 2014
O presente trabalho tem por objetivo relatar as etapas do desenvolvimento de uma rede de comunicação sem fio aplicada a medidores de energia inteligentes para a formação de uma Rede Inteligente. Este sistema busca chegar a uma alternativa para as concessionárias no modo de troca de informações de consumo de energia elétrica nas residências, resultando na automação da rede elétrica utilizada convencionalmente. Para o desenvolvimento da rede será utilizado o padrão de comunicação sem fio Zigbee e será projetado e desenvolvido um microcircuito para realizar a comunicação entre o medidor eletrônico e o dispositivo sem fio.
Palavras-chave: RSSF. Smart Grid. Medidor Inteligente. Microncotrolador. Monitoramento. ZigBee
Figura 1 Diagrama esquemático do sistema de medição eletrônico 10
Figura 2 Diagrama de blocos do microprocessador do sistema 11
Figura 3 Diagrama dos transceptores padrões do RS485. 14
Figura 4 Configuração padrão da rede RS485. 14
Figura 5 Formato UART (esq.); No padrão A e B do RS485 (dir.). 15
Figura 6 Ciclo de requisição e resposta do protocolo MODBUS. 16
Figura 7 Ilustração da Arquitetura da Organização de uma RSSF padrão 17
Figura 8 Topologias de rede 19
Figura 9 Arquitetura e pilha de protocolos do padrão Zigbee 22
Figura 10 Rede de comunicação sem fio para medidores inteligentes. 23
Figura 11 Modelo XBee com atena whip 26
Figura 12 Estrutura da Rede Inteligente. 28
Figura 13 Estrutura da rede sem fio de Medidores Inteligentes 29
Figura 14 Arquitetura do Circuito Interface. 31
Figura 15 MAX485 utilizado para conversão RS232-RS485 de forma bidirecional. 32
Figura 18 Pacote da mensagem entre o microcontrolador e o medidor DRT-202C. 34
Figura 19 Exemplo de envio de uma mensagem em função do tempo. 35
Figura 20 Diagrama de tempo do fluxo de dados na comunicação no circuito
(Solicitação). 37
Figura 21 Diagrama de tempo do fluxo de dados na comunicação no circuito
(Resposta). 38
Tabela 1 Dados fornecidos pelos medidores eletrônicos 11
Tabela 2 Comparação das redes tradicionais e as redes inteligentes 12
Tabela 3 Características dos padrões 802.11 20
Tabela 4 Taxa de transferência das diferentes versões do Bluetooth 20
Tabela 5 Classes do Bluetooth e suas características 20
Tabela 6 Tabela comparativa das tecnologias de comunicação estudadas 26
1 INTRODUÇÃO. . . 6
1.1 JUSTIFICATIVA . . . 7
1.2 OBJETIVOS . . . 8
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . 10
2.1 MEDIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA . . . 10
2.1.1 MEDIDOR ELETRÔNICO . . . 10
2.1.2 MEDIDORES ELETRÔNICOS EM REDES INTELIGENTES . . . 12
2.2 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO SERIAL . . . 13
2.2.1 PADRÃO RS485 . . . 13
2.2.1.1 PROTOCOLO MODBUS PADRÃO RTU . . . 15
2.3 REDE DE SENSORES SEM FIO (RSSF) . . . 17
2.3.1 TOPOLOGIAS DE REDE . . . 18
2.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO PARA REDES DE SENSORES SEM FIO . . . 18 2.4.1 WI-FI . . . 19 2.4.2 BLUETOOTH . . . 20 2.4.3 ZIGBEE . . . 21 2.4.4 MIWI . . . 21 2.5 MICROCONTROLADORES . . . 22 3 METODOLOGIA . . . 23 4 RESULTADOS. . . 25
4.1 DEFINIÇÃO DA REDE SEM FIO . . . 25
4.2 ESTRUTURA DA REDE DE COMUNICAÇÃO INTELIGENTE . . . 27
4.2.1 ESTRUTURA DA REDE SEM FIO DE MEDIDORES INTELIGENTES . . . . 29
4.2.2 DESENVOLVIMENTO DO MEDIDOR INTELIGENTE . . . 30
4.2.3 FUNCIONAMENTO DA REDE SEM FIO DE MEDIDORES INTELIGENTES 32 5 CONCLUSÕES . . . 40
1 INTRODUÇÃO
O processo de automação do sistema das redes de energia elétrica é uma realidade atual. Esse processo é baseado na utilização de medidores digitais que buscam acelerar o fluxo de informações e o gerenciamento do sistema elétrico. O conceito Smart Grid (Rede Elétrica Inteligente) surge nesse novo contexto, que pode ser definido na área de automação de rede, na cadeia de fornecimento de energia, ainda na melhoria dos canais de interação ou serviços para o consumidor (TOLEDO, 2012). Para o U.S. Department of Energy a rede elétrica inteligente não é uma “coisa”, mas uma visão para ser completada, e que se constrói de acordo com as necessidades do mercado onde será implementado (USDE, 2009). No caso deste projeto de pesquisa este conceito será tratado como um sistema interligado através da rede elétrica capaz de auxiliar no monitoramento e no gerenciamento por parte dos grupos fornecedores de energia. O conceito considerado também busca proporcionar maior autonomia ao consumidor final, e a diminuição no desperdício de energia (LEITE, 2012).
Associando o conceito de Smart Grid ao de “geração distribuída”, é possível notar significativas vantagens na modernização da rede elétrica, dentre as quais podem-se destacar: a redução no furto de energia e a economia nos horários de pico. Um dos componentes das redes inteligentes é o medidor digital capaz de mensurar e armazenar em registradores digitais o fluxo de energia consumida e energia exportada (LEITE, 2012).
As tecnologias de comunicação para smart grid devem possuir as características descritas a seguir. Primeiro, possuir recurso de duas vias (fluxo de dados da empresa ao consumidor e no sentido contrário), informação em tempo-real e confiabilidade. Segundo, o sistema deve ser flexível para funcionar em redes elétricas já existentes e para futuras expansões. Em terceiro estão os direitos da propriedade intelectual, que é a capacidade de desenvolvimento personalizado de negócios de energia e escalabilidade empresarial para Smart Grid (LI-QIANG; XUE-SONG; YOU-JIE, 2010).
Duas diferentes tecnologias de comunicação podem ser empregadas nesse sistema: com fio (wired) e sem fio (wireless). Em alguns aspectos, as comunicações sem fio tem vantagens sobre a com fio, como em relação ao baixo custo de infraestrutura e na facilidade de instalação em áreas de difícil acesso, além de apresentar mais flexibilidade de expansão. Entretanto, interferências no caminho das transmissões podem atenuar o sinal, o que pode ser evitado em soluções com fio, que
também não dependem de bateria (GUNGOR; KOCAK; SAHIN, 2012).
Nesses tipos de sistemas inteligentes com rede sem fio é preciso definir qual protocolo melhor se aplica às necessidades das empresas e de seus clientes. Dentro desse contexto surgem as alternativas de comunicação que melhor se encaixam nesse ambiente, dentre as quais podemos citar o Zigbee, caracterizado pela eficiência em ambientes com interferência eletromagnetica; o Wi-Fi, um dos mais populares padrões de comunicação atualmente; o Bluetooth, que realiza troca de informação através de ondas de radio de curto alcance; e o MiWi, um protocolo alternativo fornecido pela Microchip (LEITE, 2010).
1.1 JUSTIFICATIVA
Grandes empresas de energia internacionais estão cada vez mais motivadas a investir nesse novo conceito de rede elétrica inteligente, e cada país tem o seu foco em determinada vantagem. O governo dos Estados Unidos, por exemplo, busca alavancar a sua economia estabelecendo incentivos financeiros ao negócio. Além do fator econômico, o país se preocupa com a melhoria da segurança da rede elétrica (minimizar vulnerabilidade a ataques terroristas) e com a preservação do meio ambiente, para melhorar e garantir o aumento da produtividade no setor sem aumentar as instalações em escala física. Um exemplo claro dessa nova tendência foi a iniciativa do governo dos EUA, em 2009, de investir 3,4 bilhões de dólares em redes elétricas inteligentes e impulsionar outras dezenas de bilhões em investimentos privados. Segundo a análise feita na época pelo EPRI (Eletric Power Research Institute), calcula-se uma redução de mais de 4% no consumo de energia elétrica nos Estados Unidos até 2030, devido a implementação das redes elétricas inteligentes no país, o que resultaria numa econômia para os clientes na faixa de 20,4 bilhões de dolares (ENS, 2009).
Na Europa a motivação maior é o meio ambiente, com investimento no conceito de geração distribuída busca a integração em larga escala de fontes renováveis de energia, na busca por cumprir as diretrizes do tratado de Kyoto (BANDEIRA, 2012). Nos demais países, incluindo o Brasil, o foco principal é a segurança e o combate à fraude em medidores. Aqui no país já existem iniciativas governamentais que buscam alterar a regularização do setor elétrico nacional, de modo que seja possível começar a implementação das redes elétricas inteligentes. Também já se encontra em andamento o desenvolvimento de projetos pilotos por empresas geradoras e distribuidoras de energia no país, como a ANEEL (Agência Nacional de Energia
Elétrica) que possui um projeto de implantação de medidores elétricos inteligentes em unidades residenciais (BANDEIRA, 2012).
Partindo desse momento em que o país começa a dar importância para a modernização do sistema da rede elétrica e com base nos conceitos de smart grid de A. Leite (LEITE, 2012) que destaca a automação da rede para um melhor gerenciamento das operações pelas concessionárias de energia, surge a ideia deste projeto. Será proposto uma rede de comunicação entre medidores eletrônicos e um ponto central ligado à empresa, que permita o monitoramento e o gerenciamento de todas as casas conectadas a rede em tempo real. Isto inclui o projeto de um microcircuito que possibilitará a conexão do medidor com essa rede, possibilitando, dentre outras vantagens, a consulta por parte da companhia responsável pelo fornecimento de energia sem a necessidade da locomoção de casa em casa de seu funcionário.
Uma vez definida a estrutura desta Rede Inteligente será desenvolvida uma solução em hardware para sua primeira etapa: a rede de comunicação sem fio para medidores inteligentes, que deve estabelecer caracteristicas como o dispositivo de hardware, a topologia e as limitações. Para isso será necessário projetar um Medidor Inteligente a partir de um medidor eletrônico comum, que consiste em um sistema microcontrolado que adicionará ao medidor eletrônico as funções de se comunicar com outros dispositivos da rede sem ligação wired, bem como executar solicitações remotas.
Vale ressaltar que um resumo expandido deste trabalho entitulado Rede de Comunicação de Medidores Inteligentes Sem Fio já foi apresentado no Encontro Anual do Iecom em Comunicações, Redes e Criptografia – ENCOM (2013), no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco Recife, Pernambuco, Brasil.
1.2 OBJETIVOS
Este projeto busca a estruturação de uma Rede Inteligente que deve interligar a concessionária às residências, definindo as tecnológias aplicadas e suas respectivas funções nesta rede. Para concretizar esta ideia será implementada uma solução de engenharia de uma rede sem fio para comunicação entre medidores de energia residenciais. O objetivo desta pesquisa é explorar esse novo conceito de Smart Grid, extraindo e ajudando na descoberta desse conhecimento, de acordo com os seguintes objetivos específicos:
• Estudo dos medidores eletrônicos de energia elétrica, suas características e funcionamento;
• Estudo de redes de sensores sem fio, arquitetura e topologia, avaliando o melhor protocolo de comunicação para a aplicação desejada;
• Estruturação da Rede Inteligente, definindo as tecnológias envolvidas;
• Solução de engenharia que adicione a um simples medidor eletrônico funções inteligentes e de comunicação sem fio (Medidor Inteligente);
• Projeto e configuração de uma rede de sensores sem fio para aquisição de dados mensurados pelos medidores;
• Realização de testes com protótipos através de um software desenvolvido em Java.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 MEDIDORES DE ENERGIA ELÉTRICA 2.1.1 Medidor Eletrônico
A seguir será abordado conceitos a cerca do funcionamento dos medidores eletrônicos de mercado. Com base na estrutura dos que foram utilizados neste projeto para medir a energia ativa.
Desde 1980 que os medidores de energia elétrica vem migrando sua estrutura, forma de medição, armazenamento e exibição dos dados. A evolução acontece a partir dos dispositivos eletromecânicos de condução mecânica e registradores mecânicos, para os mesmos dispositivos eletromecânicos, mas com registradores e leitores digitais, chegando aos mais atuais dispositivos totalmente digitais, que possuem os recursos mais avançados. Onde os dados são armazenados em registradores digitais. Os medidores eletrônicos são compostos por circuitos integrados (CIs) e lógica digital, que aproxima esse aparelho da realidade dos computadores atuais (GRIGSBY, 2007). O diagrama de blocos da Figura 1 ilustra o funcionamento de um medidor eletrônico em blocos.
Figura 1: Diagrama esquemático do sistema de medição eletrônico
Fonte: KAMARAJU, 2009
As amostras de formas de onda de tensão e corrente coletadas pelos sensores (Voltage Sensors e Current Sensors) são enviadas para o circuito de aquisição (Data Acquisition System), onde, conversores A/D adequam os sinais analógicos para sinais digitais (KAMARAJU, 2009). No diagrama da Figura 2 podemos ver os componentes básicos do microprocessador para obtenção dos valores de potência e energia.
No microprocessador do sistema o circuito multiplicador recebe os sinais digitais de tensão e corrente e calcula os valores de potência. Os valores resultantes são enviados para o integrador que integra em função do tempo gerando os valores de energia. Todos os dados gerados (potência e energia) são armazenado no bloco de registradores, de onde as informações serão enviadas para o leitor digital (Display)
Figura 2: Diagrama de blocos do microprocessador do sistema
Fonte: MÍNGUEZ, 2007
Tabela 1: Dados fornecidos pelos medidores eletrônicos
Grandeza Unidade
Potência Ativa kW
Energia Ativa kWh
Potência Reativa kvar
Energia Reativa kvarh
Potência Aparente kVA
Fator Potência kW/kVA
Corrente RMS A
Tensão RMS V
Fonte: (GRIGSBY, 2007)
e para o barramento de controle de entrada/saída (Control Bus System) (MÍNGUEZ, 2007).
Nesse sistema de medição são calculados, armazenados e fornecidos os valores que estão listados na Tabela 1. Algumas das características, ou dos componentes citados podem variar de acordo com o fabricante do medidor, que também podem implementar funções extras (GRIGSBY, 2007).
As principais vantagens do medidor eletrônico de energia são suas características de alta precisão, estabilidade e possibilidade de medição de múltiplas variáveis. Além de muitas outras vantagens destaca-se a detecção de erros. Um sistema mecânico está exposto a problemas que podem produzir algum tipo de erro na leitura, com base em valores aleatórios que variam de 5 até 30 por cento, e pode demorar anos para ser detectado e corrigido. Já em um sistema eletrônico de medição quando algum tipo de erro acontece poderá ser facilmente detectado no leitor digital. Isto evita preocupação e aborrecimento para o consumidor, que pode rapidamente contatar a empresa responsável para notificar e resolver o problema (GRIGSBY, 2007).
Tabela 2: Comparação das redes tradicionais e as redes inteligentes Rede Tradicional Rede Inteligente
Comunicação Nenhuma ou
Unidirecional Bidirecional
Interação com o usuário Raramente Muito
Tipo de Aparelho Elétrico Numérico
Operação e
Gerenciamento Dispositivo de Calibração Monitoramento Remoto
Controle de Fluxo Limitado Universal
Segurança Tendencia a mal
funcionamento e
interferências
Proteção adaptável
Poder de Restauração Manual Alto-Restauração
Topologia Radial Em Anel
Fonte: LI-QIANG; XUE-SONG; YOU-JIE, 2010, p.599-600 2.1.2 Medidores Eletrônicos em Redes Inteligentes
A eficiência das tradicionais redes de energia elétrica veem caindo e se tornando cada vez mais obsoletas, devido aos novos desafios encontrados nesse novo século, como aplicação de tecnologias digitais. Comparando a rede tradicionalmente utilizada com a rede inteligente, temos uma vantagem considerável e notável da rede inteligente no poder de sistema e características. A Tabela 2 exibe uma comparação entre as redes convencionais e as novas smart grid (LI-QIANG; XUE-SONG; YOU-JIE, 2010).
Um dos motivos para a integração da tecnologia smart grid foi a evolução dos dispositivos de medição. Essa evolução dos medidores eletrônicos com comunicação bidirecional possibilitou o surgimento dos Medidores Inteligentes. Caracteriza-se como um dos maiores motivadores do desenvolvimento da rede inteligente, a sua relação é direta e, muitas vezes, existe uma confusão quanto aos conceitos.
Nesse contexto apresentado o sistema de medição inteligente é apenas um entre as diversas estapas que compõem a rede inteligente. Porém existem alguns fatores que tornam essa tecnologia um elemento chave no desenvolvimento dos projetos, principalmente quando aplicado nas operações das concessionárias, onde há sempre uma busca por benefícios quanto a custos agregados. Dentre esses fatores podemos destacar (TOLEDO, 2012):
O faturamento das concessionárias vem diretamente das medições feitas pelo medidores, e esta é a sua função principal. Portanto, um sistema mais robusto, seguro e preciso é desejável.
Os medidores inteligentes funcionam como meio de comunicação entre a concessionária e o consumidor.
Cada unidade residencial possui um medidor de energia, portanto a modernização desse aparelho causa um efeito maior do que o investimento em outro componente da rede.
A implantação desse sistema significa o acesso da concessionária a cada ponto que esteja ligado a ela. Então será possível acesso a informações sobre a rede de baixa tensão, transferência de dados do sistema de automação e controlar sistemas de geração distribuída. Se torna assim a base para a comunicação da concessionária com os componentes da rede smart grid.
Como pode-se observar o investimento em medidores inteligentes proporciona a criação de uma rede mais sólida de infraestrutura avançada de medição. Devido a sua importância para a concessionária e para a sociedade o investimento nesse sistema costuma ter prioridade com relação aos outros. Desse modo o sistema de medição inteligente tende a se tornar o viabilizador técnico-econômico natural das redes elétricas inteligentes.
2.2 PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO SERIAL 2.2.1 Padrão RS485
O RS485 é um padrão de comunicação serial utilizado pelos medidores eletrônicos no seu barramento de saída de dados. Portanto foi necessário realizar um estudo sobre o seu funcionamento para realizar a comunicação do medidor eletrônico com um dispositivo externo.
O padrão de comunicação serial RS485 é também conhecido como EIA-485, por ser desenvolvido pela Electronics Industry Association. RS é uma sigla para Recommended Standard, que significa padrão recomendado. Este padrão funciona com base na transmissão diferencial de dados, utilizando um par de fios, e é habitualmente empregado em projetos industriais, pois é otimizado para transmissão em altas velocidades, a longas distâncias e em ambientes expostos a interferências eletromagnéticas (GARAGEM, 2009).
O modo de comunicação diferencial utiliza dois terminais independentes, A e B, que transmitem o mesmo nível de tensão, mas com polaridades opostas. O receptor deve ler o sinal de forma diferencial, sem referência ao terra ou a qualquer outro condutor de retorno, definindo o nível do sinal em "alto"quando esta diferença for maior que 200 mV ou nível "baixo"quando for menor que -200mV, como pode ser visto
na Figura 3. Níveis entre -200 e 200 mV são indefinidos e interpretados como ruído (MAXIM, 2001).
Figura 3: Diagrama dos transceptores padrões do RS485.
Fonte: (MAXIM, 2001)
Podem ser conectados até 32 dispositivos a uma rede RS485 numa configuração mestre-escravo (master-slave), como pode ser visto na Figura 4, onde apenas um dispositivo mestre pode iniciar uma comunicação. Cada dispositivo ativa seu transmissor no momento que necessita transmitir os dados, desligando-o no resto do tempo. Desse modo os outros dispositivos podem transmitir, portanto essa rede é caracterizada como half-duplex, pois cada dispositivo envia sua informação por vez (MAXIM, 2001).
Figura 4: Configuração padrão da rede RS485.
Fonte: Modificado de (MAXIM, 2001)
As redes RS485 comumente utilizam o formato UART, com 1 bit de início, 8 bits de dados, 1 bit opcional de paridade e um ou dois bits de parada. A Figura 5 ilustra o formato da UART, bem como o este utilizando os terminais A e B.
Figura 5: Formato UART (esq.); No padrão A e B do RS485 (dir.).
Fonte: (GARAGEM, 2009) 2.2.1.1 Protocolo MODBUS Padrão RTU
O protocolo MODBUS implementa arquitetura mestre-escravo do padrão RS485, e define: solicitações do mestre; respostas do escravo; lançamento de erros; tempos de transmissão. É o protocolo mais utilizado na área de automação industrial até hoje. Criado no final dos anos 70 para comunicação de controladores da MODICON, foi adotado em vários níveis de aplicações pelo fato de ter sido um dos primeiros protocolos de especificação aberta. Então o MODBUS se tornou um padrão mundial devido a sua simplicidade e flexibilidade de conectar dispositivos de diferentes fabricantes (GARAGEM, 2009).
Controladores podem ser configurados para transmitir neste padrão utilizando dois modos de transmissão: ASCII e RTU, que definem como os bits são estruturados para campos de mensagens. A seguir será abordado apenas o modo RTU que é mais difundido na prática em linha serial, tanto que é seguido pelos medidores eletrônicos utilizados no projeto.
O MODBUS implementa arquitetura mestre-escravo, e define: como o mestre realiza suas solicitações; como o escravo deve responder; como os erros são lançados; bem como os tempos de transmissão. Nessa arquitetura apenas o mestre pode iniciar uma comunicação, nunca o escravo. Este protocolo pode ser aplicado a topologias físicas de rede ponto a ponto RS232 ou barramento multiponto RS485 (ORGANIZATION, 2006).
Este protocolo é formado por frames de solicitação que o mestre envia e de resposta que o escravo envia de volta. A Figura 6 ilustra este ciclo, bem como a estrutura das mensagens. A mensagem de resposta é um reflexo da mensagem de solicitação, mas os bytes de dados contém as informações coletadas pelo escravo, como os valores dos registradores. Se ocorrer um erro o código da função é modificada para o código de erro, e os bytes de dados trazem informações sobre o erro (ORGANIZATION, 2006).
Figura 6: Ciclo de requisição e resposta do protocolo MODBUS.
Fonte: Autoria Própria.
• Endereço Escravo: Indica o endereço do escravo que o mestre deseja iniciar uma comunicação. Por padrão o endereço pode variar entre 1 a 247, e o 0 é reservado para mensagens de broadcast, neste caso todos os escravos leêm a mensagem, mas geralmente não respondem;
• Código da Função: Um byte que representa a função que deve ser realizada pelo escravo;
• Bytes de Dados: Um pacote com um número bytes que varia de acordo com a função solicitada.
• Verificação de Erro: Composto por dois bytes é utilizado numa função de verificação para realizar a checagem da consistencia da mensagem, e detectar erros no pacote. A função utilizada será descrita a sessão de resultados.
O intervalo entre as mensagens é calculado com base na duração do envio de um caractere: 1 start bit, os 8 bits de dados e 1 stop bit (1 bit de Paridade ou 2 stop bits opicionais). O intervalo entre os frames deve ser maior igual a 3,5 vezes o tempo de envio de um caractere. O calculo deve ser realizado utilizando 8o1 (1 bit de paridade) ou 8n2 (2 stop bits) que são os padrões definidos pelos medidores eletrônicos deste projeto e possuem mesma quantidade de 11 bits (GARAGEM, 2009).
Existem variadas funções do protocolo MODBUS para executar comandos de leitura e escrita, para diferentes tipos de dados. Destacando a função 03H, leitura de um número variável de registradores retentivos (saídas analógicas ou memórias), que no caso dos medidores eletrônicos lê os registradores que armazenam os valores mensurados, como energia ativa. Deve ser levado em consideração que todo dispositivo em uma rede MODBUS deve dividir sua memória em registradores de 16 bits (ORGANIZATION, 2006).
2.3 REDE DE SENSORES SEM FIO (RSSF)
Uma RSSF pode ser definida como uma rede de dispositivos sensores que conseguem se localizar no ambiente e se comunicar através de uma ligação sem fio, trocando dados a partir da informação coletada em um ambiente monitorado (temperatura ou iluminação, por exemplo). Os dados são enviados, via múltiplos saltos entre os nós da rede, até um nó central (chamado controlador ou monitor), que pode utilizar este dado localmente ou estar conectado a outras redes (Internet) (BURATTI et al., 2009).
Os sensores de um nó de uma RSSF são capazes de mensurar variáveis do ambiente onde está situado, através de sensores ou transdutores, e transmitir essas informações por meio de ondas eletromagnéticas para outros nós da rede (SOARES, 2012). Um nó também pode obter valores do ambiente através de dispositivos externos que executem a função de mensurar tais variavéis, deixando ao nó apenas a função de transmitir esses dados.
A Figura 7 ilustra a arquitetura típica de organização de uma rede de sensores sem fio, na qual os sensores captam as variações do ambiente e passam essas informações através de outros nós até chegar ao nó coordenador, que envia os dados recebidos para um computador central. Por sua vez o computador central é responsável por organizar e gerenciar os dados, e também funciona como interface de acesso ao usuário final.
Figura 7: Ilustração da Arquitetura da Organização de uma RSSF padrão
2.3.1 Topologias de Rede
Os dispositivos RSSF podem ser classificados em três tipos diferentes (LATTIBEAUDIERE, 2006):
Coordenador: Responsável por organizar a rede, endereçando os dispositivos, traçando rotas de comunicação e permitir a entrada de um novo nó na rede;
Roteador: Tem a função de extender a rede permitindo a entrada de mais dispositivos. Os roteadores podem opcionalmente exercer a função de monitoramento e/ou controle;
Dispositivo Final: Dispositivos finais geralmente tem a função de monitorar o ambiente, ou controlar o dispositivo que execute essa função de monitoramento. O limite de nós depende do protocolo que está sendo utilizado.
As RSSF podem implementar três principais topologias diferentes (LATTIBEAUDIERE, 2006):
Topologia Estrela (Star): Consiste em uma rede com um coordenador conectador a dispositivos finais, como ilustra a Figura 4. Cada nó pode apenas se comunicar com o coordenador, caso queira se comunicar com outros dispositivos da rede deve enviar os dados através do coordenador, nunca diretamente;
Topologia Árvore (Cluster Tree): Nessa topologia são inseridos os roteadores , que auxiliam na comunicação entre os nós finais e o coordenador, permitindo a inserção de mais dispositivos na rede. Porém um novo nó que não esteja ligado a um coordenador não pode se comunicar diretamente com o ele, apenas através do roteador ao qual está ligado, como pode ser observado na Figura 8;
Topologia Malha (Mesh): Semelhante a topologia Árvore, mas aqui os dispositivos roteadores podem se comunicar entre si, de modo a diminuir a latência no envio das mensagens e ficam menos suscetível a falhas. Porém os dispositivos finais só podem se comunicar através do roteador. A Figura 8 ilustra o diagrama da topologia Mesh.
2.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO PARA REDES DE SENSORES SEM FIO
Nessa seção serão abordados os principais protocolos de comunicação de rede sem fio utilizados atualmente, destacando as suas características, vantagens e desvantagens. O Objetivo é definir qual deles será utilizado no desenvolvimento do sistema RSSF deste trabalho, a partir da análise de qual melhor se adequa ao projeto.
Figura 8: Topologias de rede
Fonte: Autoria Própria. 2.4.1 Wi-Fi
O sistema de transmissão de dados Wi-Fi (Wireless Fidelity) é o padrão de comunicação sem fio mais popular no mercado atualmente, com alta taxa de transmissão de dados, portanto apresenta a maior demanda por novas tecnologias. O Wi-Fi é uma norma internacional que define característica de uma rede local sem fio, compatível com dispositivos que utilizam padrão IEEE 802.11. Inicialmente criado para conectar computadores portáteis com a internet através de redes locais (LANs). Mas graças à flexibilidade que os avanços tecnológicos proporcionaram sua utilização foi ampliada, hoje pode ser encontrada em vários dispositivos eletrônicos de menores dimensões, como celulares, tablets, console de jogos e até câmeras digitais (LEITE, 2010).
O padrão 802.11 reserva os baixos níveis do modelo OSI (International Organization for Standardization) para conexões sem fio que utilizam ondas eletromagnéticas. A camada física (physical layer) define a modulação da onda de radio e características de sinal para a transmissão de dados, enquanto a camada de ligação de dados (link layer) define a interface entre o barramento do dispositivo e a camada física (WIFI, 2010).
A norma IEEE 802.11 é um padrão com largura de banda de 1-2 Mbps. É composta por 20 padrões diferentes, que definem otimização, largura de banda e especificação de componentes. Os mais populares são: 802.11b, 802.11.g, 802.11n, que são mais comumente utilizados nos dispositivos Wi-Fi no mercado. Suas características podem ser comparadas na Tabela 3 (WIFI, 2010).
Tabela 3: Características dos padrões 802.11
Padrão Frequência Velocidade
Máxima Alcance 802.11a 5 GHz 50 Mbps 10 m 802.11b 2.4 GHz 11 Mbps 30 m 802.11g 2.4 GHz 54 Mbps 30 m 802.11n 2.4 GHz 300 Mbps 30 m Fonte: (LEITE, 2010)
Tabela 4: Taxa de transferência das diferentes versões do Bluetooth
Versão Velocidade de Transferência
1.2 1 Mbps
2.0 3 Mbps
3.0 24 Mbps
Fonte: (LEITE, 2010) 2.4.2 Bluetooth
O Bluetooth é o nome dado a um sistema de telecomunicação de curto alcance (aproximadamente 10 metros) que permite conexão de dispositivos eletrônicos sem utilização de fios. Este sistema esta bastante difundindo no mercado atualmente, e pode ser encontrado na maioria dos aparelhos eletrônicos como celulares, PDA’s, tablets, microfones, computadores, teclados, entre outros. (JOHNSON, 2004)
Este padrão foi desenvolvido para aplicações que necessitem de baixo consumo de energia, baixo alcance e baixa velocidade de transferência de dados (Tabela 4) (LEITE, 2010). O Bluetooth é padronizado pelo IEEE 802.15.1 como Wireless Personal Area Network (WPAN) e está normalizado em três classes, que definem características como potencia máxima, e alcance aproximado, como é possível observar na Tabela 5 (IEEE, 2003).
Tabela 5: Classes do Bluetooth e suas características
Classe Potência Máxima Alcance aproximado
Classe 1 100 mw (20 dBm) 100m
Classe 2 25 mW (4 dBm) 10m
Classe 3 1 mW (0 dBm) 1m
2.4.3 Zigbee
O Zigbee é a tecnologia ideal para monitoramento de energia, automação residencial e leitura automática de medidores. Prova disso é que o Zigbee Smart Energy Profile (SEP) foi utilizado como o padrão de comunicação mais adequado para o domínio de rede de um smart grid residencial pelo U.S. National Institute for Standards and Technology (NIST) (CECATI, 2011). Muitas das empresas responsáveis pela estrutura de medição avançada (AMI) optam por medidores que possuam essa tecnologia integrada e o resultado disso é a autonomia dos proprietários residenciais, que podem se conectar e acompanhar o consumo de energia da sua própria casa em tempo real (SAHIN et al., 2011).
O padrão de comunicação Zigbee é baseado na norma IEEE 802.15.4, homologado em maio de 2003, que foi desenvolvido para redes de comunicação que precisassem de uma baixa taxa de transmissão de dados e uma alta robustez. Este protocolo de comunicação surge como uma solução para redes que não necessitam de um controle muito complexo, barateando assim os custos de aquisição, instalação, de manutenção e reposição dos dispositivos. (PINHEIRO, 2010).
A organização da arquitetura da pilha de protocolo Zigbee pode ser dividida na camada definida pelo padrão IEEE 802.15.4 e a definida pelo Zigbee Alliance. A camada definida pelo IEEE 802.15.4 é dividida em duas: a camada física (PHY, Physical Layer) e a de controle de acesso (MAC, Medium Acess Control). A camada Zigbee pode ser dividida em cinco: A camada de rede (NWK, Network Layer), a camada de aplicação (APL, Aplication Layer), que é composta pela camada de Quadros da aplicação (Application Framework), a camada de Objeto de Dispositivos Zigbee (ZDO, Zigbee Device Object) e a subcamada de suporte a aplicação (APS, Application Sub Layer) (BARONTI, 2007). A Figura 9 facilita a visualização de como se relacionam essas camadas.
2.4.4 MiWi
Baseada no padrão IEEE 802.15.4, o MiWi é uma pilha protocolar proprietária desenvolvida pelo Microchip. Portanto pode ser definida como Wireless Personal Area Network (WPAN). Caracteriza-se por trabalhar a uma baixa taxa de transferência de dados, mas destaca-se pelo consumo, ainda mais baixo que o do seu concorrente (Zigbee). O valor dessa solução também é relativamente mais barato (EETIMES, 2006).
Figura 9: Arquitetura e pilha de protocolos do padrão Zigbee
Fonte: BARONTI, 2007 2.5 MICROCONTROLADORES
A comunicação com o medidor eletrônico deve ser realizada por um dispositivo de dimensões reduzidas e que possua a capacidade de comunicação serial. Uma alternativa são os microcontroladores, que serão abordados nesta seção.
A diminuição nas dimensões dos sistemas complexos faz surgir a necessidade da redução do componente controlador desses sistemas. O microcontrolador surge como solução, um hardware controlado por software, de modo que modificações em seu comportamento são realizadas apenas alterando-se o software, dentro das limitações do hardware (TOOLEY, 2007). Trata se de um circuito digital integrado que pode realizar operações aritméticas, mover dados de um local para outro e tomar decisões com base nessas instruções (FLOYD, 2007).
Os microcontroladores PIC (Peripheral Interface Controller) possuem uma arquitetura interna Harvard e utiliza tecnologia RISC (Reduced Instruction Set Computer), executam cerca de 35 instruções, variando de acordo com o modelo. Esses microcontroladores foram desenvolvidos para serem flexíveis, de modo que possam ser programados para serem utilizados nas mais diversas áreas, em aplicações que necessitem de pouco processamento. A sua alta utilização também se deve ao fato de possuir um baixo custo e devido a sua resistência a interferências causadas por ruídos e ondas magnéticas. (PEREIRA, 2011)
3 METODOLOGIA
Este trabalho consiste no estudo e na estruturação de uma Rede Inteligente, que possibilite a comunicação remota com a concessionária, que poderá ter acesso as informações dos medidores de todas as casas conectadas à rede. Será apresentada a estrutura dessa rede na seção de resultados, listando as etapas da comunicação a partir das residencias até chegar à concessionária. Destacando a função da rede sem fio de medidores inteligentes como a primeira etapa da Rede Inteligente.
Foi desenvolvido uma solução em engenharia para mostrar que é possível criar uma importante etapa da Rede Inteligente: a rede de comunicação sem fio entre os medidores de energia residenciais, como o ilustra a Figura 10. Devido às vantagens já apresentadas da rede sem fio sobre a com fio optou-se no projeto deste sistema por realizar a comunicação entre os medidores e o gateway central de forma wireless. Principalmente devido à inviabilidade de uma instalação cabeada para ligar todos os medidores e a variedade disponível de dispositivos sem fio de qualidade.
Figura 10: Rede de comunicação sem fio para medidores inteligentes.
Fonte: Autória própria
Os medidores eletrônicos mais simples não são capazes de se comunicar remotamente, apenas de forma local através de seus barramentos de saída. Portanto, para conectar esses sensores a rede sem fio foi necessário conectá-los com dispositivos de comunicação sem fio. Para isso foi projetado a arquitetura de um Circuito Interface para realizar o tráfego dos dados entre o barramento do medidor eletrônico e o dispositivo de comunicação sem fio.
Com base nos estudos levantados a cerca dos protocolos de comunicação sem fio na fundamentação teórica foi definido qual dispositivo, topologia e configuração melhor se adequa à rede sem fio de medidores, levando em consideração
principalmente o desempenho, o consumo, o alcance e a capacidade máxima de nós. No sensoriamento da rede foram utilizados medidores eletrônicos de energia elétrica, já visando redução de custos na instalação, uma vez que será possível manter o medidor que já esteja instalado, desde que esse tenha um barramento de entrada e saída. Foram adquiridos dois medidores eletrônicos, o DRT-202C e o DDM100SCR, de marcas diferentes para mostrar a flexibilidade do sistema desenvolvido, que pode ser utilizado em diferentes tipos de medidores com barramento de comunicação.
O Circuito Interface projetado deve ser controlado por um microcontrolador PIC 16F877A, que foi escolhido por possuir um periferico de comunicação serial USART RS232 (baud rate de 1200 a 9600) e uma memória flash de programa de 8192 palavras de 14 bits. Nesse circuito também foi utilizado o MAX485, um transceptor RS485 controlado por sinais digitais, que realiza a conversão do padrão serial RS232 para RS485 de forma bidirecional. O MAX485 se mostrou a alternativa ideal para montar uma estrutura que conecte mais de dois dispositivos numa mesma rede, apresentando mais vantagens quando comparado as outras alternativas estudadas como multiplexadores e comunicação I2C.
O acoplamento do Circuito Interface criado a um medidor eletrônico forma um protótipo que simula um Medidor Inteligente, que, além de realizar a mensuração do consumo, também é capaz de se comunicar com outros medidores e receber solicitações remotas do gateway de leitura de energia ativa.
Ao final serão realizados os teste de validação do sistema e a verificação de eventuais problemas que possam surgir.
4 RESULTADOS
4.1 DEFINIÇÃO DA REDE SEM FIO
O objetivo do estudo dos protocolos de comunicação para RSSF é definir qual deles será utilizado no projeto, para o desenvolvimento da rede sem fio de comunicação entre medidores inteligentes. As informações mais importantes sobre as tecnologias de comunicação estudadas foram sintetizadas e podem ser analisadas na Tabela 6.
O Wi-Fi se apresentaria como uma boa alternativa para o projeto devido a sua popularidade, sua alta taxa de transferência de dados e seu alcance. Entretanto esse sistema não possui uma rede fechada pra transmissão de dados e seus dispositivos possuem custo elevado. Ainda deve-se considerar que o seu consumo energético é relativamente elevado quando comparado com alternativas de mercado.
O Bluetooth possui uma grande robustez em ambientes com alto nível de ruído, porém seu baixo alcance de transmissão e seu alto custo de implantação tornam essa tecnologia de comunicação inviável ao projeto.
Por ser um protocolo proprietário da Microchip o Miwi foi desenvolvido exclusivamente para funcionar com outros dispositivos do fabricante. Sendo assim necessário o pagamento dos direitos, caso houvesse a necessidade de utilizar microcontroladores de outra empresa, o que inviabilizaria a sua utilização.
Analisando os protocolos disponíveis, com base na Tabela 6, nos estudos realizados, e nas características destacadas em cada tópico, o que melhor se apresenta como solução para o projeto é o Zigbee. Suas características se encaixam com os requisitos do sistema de comunicação desejado, que necessita de um alto alcance, robustez e desempenho, bem como uma capacidade para uma grande quantidade de nós, e como o tamanho dos pacotes de dados serão relativamente pequenos não existe a necessidade de uma alta taxa de transferência de dados.
A rede sem fio pode ter uma grande quantidade de nós (casas) interligados e nem sempre de forma estruturada geograficamente, portanto a topologia de rede que melhor se adequa ao projeto é a Topologia de Malha (Mesh), que tem um ótimo desempenho na busca pelo menor caminho de um nó para outro. Sua configuração aplicada a tecnólogia Zigbee proporciona vantagens significativas como o auto reparo, auto organização e auto configuração, o que resulta numa flexibilidade na expansão da rede.
Tabela 6: Tabela comparativa das tecnologias de comunicação estudadas Categoria Wi-Fi
(802.11g) Bluetooth 2.0 MiWi Zigbee
Frequência 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868/915MHz, 2.4 GHz Taxa de transferência 54 Mbps 3 Mpbs - 250 Kbps Tempo de Detecção 30 s 2,5 - 10,2 s - 30ms Alcance Máximo 30 m 10 m 65 m 120 m / 3200m
Consumo Médio Baixo Muito Baixo Baixo
Limite de Nós 50 8 - 64000
Fonte: Autória própria.
baseados no protocolo Zigbee, fabricado pelo atual líder de mercado Digi International. Esse dispositivo foi escolhido para conectar os medidores eletrônicos e o gateway com a rede Zigbee. São compostos basicamente por um transceptor e um microcontrolador, que possui um firmware com a implementação do protocolo e define a função daquele dispositivo na rede (Coordenador, roteador ou dispositivo final).
Figura 11: Modelo XBee com atena whip
Fonte: (DIGI, 2011)
Cada um dos dispositivos da rede possuem dois endereços: o MY (16 bits) e o Numero Serial (64 bits). o MY é o seu endereço na rede, que é dado pelo coordenador quando um nó entra na rede, podendo assim variar (o MY do coordenador é sempre igual a 0). O Número Serial é o endereço fixo que cada dispositivo XBee possui e é único.
Os XBee podem trabalhar no modo API (Application Programming Interface) ou no modo Transparente (AT). No modo API os dados são enviados em pacotes
(frame), que definem um comando ou evento que o dispositivo irá realizar. No modo Transparente (AT) os bytes recebidos por um nó através da rede é transmitido no seu pino transmissor (DOUT ), em contrapartida todos os dados que são recebidos pelo pino receptor (DIN) são transmitidos para rede Zigbee até o coordenador da rede. Se o nó recebe um dado e não é o destinatario este apenas passa para o próximo nó seguindo a rota de transmissão, sem enviar nada pelo pino transmissor.
Para o correto funcionamento da rede Zigbee o coordenador deve ser configurado no modo de operação API e os dispositivos Roteador e Dispositivo final devem ser configurados no modo AT, para receber e transmitir os dados recebidos diretamente.
4.2 ESTRUTURA DA REDE DE COMUNICAÇÃO INTELIGENTE
De posse dos conhecimentos necessários e diante da atual necessidade de uma modernização da rede elétrica do país essa seção de resultados traz a estrutura de uma Rede Inteligente, que forneça um meio de comunicação bidirecional entre a concessionária prestadora de serviço e as residencias. Buscando uma solução de custo relativamente baixa e que altere o mínimo póssível a estrutura já existente.
A Figura 12 ilustra a estrutura da Rede Inteligente idealizada. Destacando que se trata de uma rede de comunicação bidirecional entre a concessionária fornecedora de energia e os medidores residenciais, montada utilizando os meios da rede elétrica de energia já existente. Diferente a rede elétrica que transporta energia elétrica, a rede de comunicação transporta dados digitais entre a empresa e o consumidor final. Na primeira etapa (rede sem fio de medidores inteligentes) o ponto coordenador, Gateway do Bairro, está conectado através de uma rede Zigbee às residências de uma área equivalente a um bairro. A topologia de malha permite que as casas estejam conectadas entre si, assim quando uma casa se desconectar da rede não irá prejudicar as demais, pois o coordenador pode gerar novas rotas para as outras residências. Este ponto coordenador é responsável por cobrir a maior area possível e solicitar o consumo de energia atual das casas ligadas a rede, replicando-se esse sistema para todos os outros bairros.
As empresas desenvolvedoras da tecnológia Zigbee já disponíbilizam modernos gateways que possibilitam a conectividade de um nó da rede com uma rede IP. O gateway coleta dados do nó coordenador, processa e envia esses dados para uma aplicação superior através de uma conexão de Internet ou Wifi por exemplo. Utilizando esses gateways Zigbee para IP como os gateways dos gairros é possível
Figura 12: Estrutura da Rede Inteligente.
Fonte: Autória própria
conectar a rede de medidores inteligentes com uma rede pública, como a Internet, que esteja conectada a central da concessionária.
Então o sistema central da companhia elétrica acessa os vários gateways da cidade através de uma VPN (Virtual Private Network), uma rede privada construída em cima de uma rede pública (Internet) que deve interligar todos os pontos coordenadores dos bairros. Uma solução barata, que aproveita uma estrutura física já montada e deixam os custos e a complexidade desta etapa do projeto para as técnicas de proteção de dados.
Uma VPN é uma conexão que utiliza a estrutura da rede pública para trafegar seus dados utilizando o protocolo padrão desta rede, não necessáriamente seguro. A implementação de uma rede privada utiliza técnicas de criptográfia e tunelamento para garantir a segurança dos dados trafegados, fornecendo confidencialidade, autenticação e integridade para garantir a privacidade da rede. Quando devidamente implementada uma VPN pode resultar numa conexão segura mesmo através uma rede insegura (GUIMARÃES; LINS; OLIVEIRA, 2006).
Por fim as informações coletadas pelo sistema central da companhia elétrica são armazenadas num banco de dados para um monitoramento completo, rápido e em tempo real do consumo de energia elétrica das residências da cidade conectadas
a esta rede inteligente. Através dessa Rede Inteligente a concessionária pode ter um melhor controle dos gastos analisando as variações durante o tempo com maior precisão, bem como qualidade da energia fornecida.
4.2.1 Estrutura da Rede Sem Fio de Medidores Inteligentes
Umas das principais etapas da Rede Inteligente idealizada é a primeira, a rede sem fio que conecta as residencias ao gateway central, representada pela Figura 13. Que foi impulsionada devido aos avanços dos equipamentos medidores de energia e dos modulos de comunicação sem fio, como o Xbee. Devido a sua importância na Rede Inteligente foi desenvolvido um prototipo para simular um funcionamento dessa etapa do projeto.
Figura 13: Estrutura da rede sem fio de Medidores Inteligentes
Fonte: Autoria Própria.
A rede criada simula a comunicação de duas residências com o gateway coordenador da rede, sendo que os medidores eletrônicos, juntamente com o Circuito Interface representam as casas, enquanto o gateway da rede é representado por um software desenvolvido para computador em linguagem de programação Java. Como ilustra a Figura 13 somente a primeira casa estará ao alcance do Xbee coordenador, enquanto a segunda residência se comunica com o coordenador através da primeira. Desse modo o Xbee da primeira casa deve ser configurado como roteador e a segunda como nó final.
Um ponto que deve ser considerado é o grande número de nós que essa rede pode alcançar, proporcional a quantidade de casas, e o sistema deve ser otimizado quanto ao trafego dos dados. A tecnológia Zigbee utiliza o algorítimo AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) que gera uma nova rota sempre que um nó precisa enviar um pacote, entretanto para uma rede maior (acima de 40 nós) esse algoritmo pode resultar em maiores atrasos nos envios de pacotes e uma queda no desempenho
da rede. Mas o Zigbee tráz alternativas para solucionar chamadas many-to-one e source routing.
A many-to-one envia um broadcast onde o dispositivo de destino é o endereço do próprio coordenador, desse modo os dispositivos que recebem essa mensagem geram uma rota de retorno na tabela de roteamento para o coordenador. Assim quando o dispositivo possui uma rota many-to-one na tabela de roteamento pode enviar um pacote sem a necessidade de descobrir uma nova rota. O many-to-one deve periodicamente atualizar as rotas de retorno da rede.
O source routing permite ao coordenador especificar e armazenar as rotas para os nós da rede, para isso o dispositivo que estiver conectado ao coordenador da rede deve possuir memória suficiente para armazenar todas as rotas. Para utilizar o source routing primeiramente é necessário estabelecer as rotas many-to-one dos nós para o coordenador.
Gerenciando essa rede tem-se o gateway do bairro simulado por um software desenvolvido para o PC conectado ao nó coordenador, que reconhece os nós da rede e solicita, recebe e exibe os valores de consumo de energia (energia ativa) de cada medidor inteligente, que representa cada residência.
4.2.2 Desenvolvimento do Medidor Inteligente
Para o funcionamento da rede sem fio de medidores foi necessário projetar e implementar o Medidor Inteligente. Foi desenvolvido um microcircuito para fazer a interface do medidor eletrônico com o Xbee, utilizando um PIC (16F877A) para gerenciar esse circuito e dois CIs MAX485 para fazer a conversão dos pradrões RS485 para RS232 e vice-versa.
Como pode ser observado na Figura 14 existem três componentes que se comunicam de forma serial: o PIC no padrão RS232, o Medidor no padrão RS485 e o Xbee no RS232. Para realizar a comunicação entre esses três dispositivos foi necessário trazer os três para um padrão comum de comunicação. O RS232 é um padrão de comunicação ponto-a-ponto, ou seja, permite apenas dois dipositivos na rede, e não seria uma boa escolha. Nos estudos feitos sobre RS485, que é utilizado pelos medidores eletrônicos, notou-se que este poderia ser utilizado não só como acesso aos medidores, mas também como uma solução para conectar os três dispositivos num mesmo barramento, possibilitando a comunicação entre eles simutaneamente. Então já aproveitando a opção de utilização do MAX485 optou-se por padrozinar a comunicação no RS485, que foi desenvolvida justamente para
conectar vários dispositivos num mesmo barramento de dados.
Figura 14: Arquitetura do Circuito Interface.
Fonte: Adaptado do simuladorISIS Proteus.
De acordo com o datasheet, para o correto funcionamento do MAX485, o terminal A deve estar conectado a fonte de alimentação através de um resistor de 4,7KW e o B ligado ao terra também por um resistor de 4,7K ou 10KW. Também consta que um resistor de 56 ou 330W deve ligar cada terminais As dos dois MAX485 entre si, bem como os terminais B.
Para fazer a conversão dos padrões foi o utilizado o MAX485 que realiza a conversão de sinais tanto no padrão RS232 para o RS485, quanto no sentido inverso. Este dispositivo é resistente a interferências, pode transmitir a 10 Mbps a distâncias curtas e funciona com fonte simples entre 2 à 5 V. Como pode ser visto na Figura 15 o MAX485 possui os dois pinos RE’ e DE que controlam os estados do componente alternando entre transmissor, receptor ou "desabilitado". Os pinos de transmissão RS232 se conectam ao pino transmissor DI e o receptor RO, enquanto os pinos A e B representam respectivamente os terminais positivo e negativo da rede RS485, a tabela Verdade pode ser vista na Tabela 7. Esse CI atende os principais requisitos para o correto funcionamento, sem comprometer a integridade dos dados que trafegam entre os dispositivos.
Na Figura 16 é possível ver uma foto tirada do sistema que foi desenvolvido. O Xbee coordenador ligado ao PC através do adaptador USB para Xbee, os dois medidores eletrônicos de energia elétrica DDM100SCR (parte inferior) e o DRT-202C (parte superior), o segundo ligado à uma lâmpada para consumir e incrementar o
Figura 15: MAX485 utilizado para conversão RS232-RS485 de forma bidirecional.
Fonte: Datasheet MAX485 Tabela 7: Tabela verdade do MAX485.
Transmitindo Recebendo
Entrada Saída Entrada Saída
RE’ DE DI A B RE’ DE A-B RO
X 1 1 1 0 0 0 +0.2v 1
X 1 0 0 1 0 0 -0.2V 0
0 0 X Z Z 0 0 open 1
1 0 X Z Z 1 0 X Z
Fonte: Datasheet MAX485.
valor registrado. Cada medidor ligado ao seu respectivo Circuito Interface, e os componentes utilizados no circuito podem ser vistos na Figura 17.
Esse sistema composto pelo medidor eletrônico conectado ao Xbee através do Circuito Interface compõe o que pode ser definido como um Medidor Inteligente, que além das funções básicas de medição de energia é capaz de interpretar comandos remotos, bem como se conectar à outros medidores inteligentes da rede e se comunicar com gateway coordenador.
4.2.3 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.
REFERÊNCIAS BANDEIRA, F. P. M. Redes de Energia Elétrica Inteligentes (Smart Grid). 2012. Disponível em:
<http://bd.camara.gov.br/bd/bitstream/handle/bdcamara/9848/redes_energia_bandeira.pdf>. Acesso em: 8 jul. de 2013.
BARONTI, P. Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards. Amsterdam: Computer Communications, 2007. BURATTI, C. et al. An Overview on Wireless Sensor Networks Technology and Evolution. 2009. Disponível em: <http://www.mdpi.com/1424-8220/9/9/6869>. Acesso em: 9 jul. de 2013.
CECATI, C. Smart operation of wind turbines and diesel generators according to economic criteria. 1. ed. Newnes: Industrial Electronics, 2011.
DIGI. XBeeR/XBee-PROR ZB RF Modules. 2011. Disponível em:
<http://ftp1.digi.com/support/documentation/90000976_H.pdf>. Acesso em: 17 jul. de 2013.
EETIMES. Microchip IC uses stripped-down ’MiWi’ protocol. 2006. Disponível em: <http://www.eetimes.com/document.asp?docid = 1164360>.Acessoem : 7 jul.de2013.
ENS. Obama Invests 3,4 Billion in Smart Energy Grid. 2009. Disponível em: <http://www.ens-newswire.com/ens/oct2009/2009-10-27-095.html>. Acesso em: 28 jun. de 2013.
FLOYD, T. Sistemas Digitais: Fundamentos e Aplicações. 9. ed. São Paulo: Bookman, 2007.
GARAGEM, L. de. KIT Shield RS485 + Conversor USB/RS485: Manual do Usuário. 2009. Disponível em:
<http://www.labdegaragem.com.br/loja/ManualdoUsuário.2RS485.pdf>. Acesso em: 19 mai. de 2014.
GRIGSBY, L. L. Electric Power Generation, Transmission, and Distribution. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2007.
GUIMARÃES, A. A.; LINS, R. D.; OLIVEIRA, R. C. Segurança em Redes Privadas Virtuais - VPNs. Newnes: Brasport, 2006.
GUNGOR, V. C.; KOCAK, T.; SAHIN, D. Smart grid communications and networking. Republica Theca: IEEE industrial electronics magazine, 2012. IEEE. IEEE802.15.1 WPAN Task Group 1 (TG1). 2003. Disponível em: <http://www.ieee802.org/15/pub/TG1.html>. Acesso em: 7 jul. de 2013.
JOHNSON, D. Hardware and software implications of creating Bluetooth Scatternet devices. Gaborone: AFRICON, 2004.
KAMARAJU, V. Electrical Pw Dist Sys. New Delhi, India: McGraw-Hill Education, 2009.
LATTIBEAUDIERE, D. P. ZigBee-2006 Residential Stack Protocol. 2006. Disponível em:
<http://www.newark.com/pdfs/techarticles/microchip/AN1232A_ZigBee2006.pdf>. Acesso em: 16 jul. de 2013.
LEITE, A. D. Eficiência e Desperdício de Energia no Brasil. Rio de Janeiro: Elsevier, 2012.
LEITE, A. S. O. Rede de sensores sem fios para veículo frigorífico e/ou indústria alimentar. Porto: Dissertação (Mestrado em Engenharia Eletrotécnica ) - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2010.
LI-QIANG, C.; XUE-SONG, Z.; YOU-JIE, M. Research on Smart Grid Technology. Tianjin: International Conference on Computer Application and System Modeling(ICCASM), 2010.
MAXIM. Guidelines for Proper Wiring of an RS-485 (TIA/EIA-485-A) Network. 2001. Disponível em: <http://www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/763>. Acesso em: 19 mai. de 2014.
MÍNGUEZ, A. Medidores de Energia Ativa: Funcionamento, Práticas Usuais, Principais Ensaios e Análise das Fraudes Mais Comuns. Rio de Janeiro: Monografia (Bacharelado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2007.
ORGANIZATION, M. MODBUS Application Protocol Specification V1.1b. 2006. Disponível em:
<http://www.modbus.org/docs/ModbusApplicationProtocolV11b.pd f>.Acessoem :
19mai.de2014.
PEREIRA, L. A. M. Robô Autômato para monitoramento de rebanho e medição da Forragem do Pasto. 1. ed. São Paulo: biblioteca24horas, 2011.
PINHEIRO, J. M. S. As Redes com ZigBee. 2010. Disponível em: <http://www2.eletronica.org/artigos/eletronica-digital/as-redes-com-zigbee>. Acesso em: 10 jul. de 2013.
SAHIN, D. et al. Smart operation of wind turbines and diesel generators according to economic criteria. 1. ed. Newnes: Industrial Electronics, 2011.
SOARES, S. A. F. Rede de Sensores Sem Fio Para Localização e Monitoramento de Pequenos Ruminantes. Juazeiro: Monografia (Bacharelado em Engenharia da Computação) - Universidade Federal do Vale do São Francisco, 2012.
TOLEDO, F. Desvendando as Redes Elétricas Inteligentes Smart Grid Handbook. Rio de Janeiro: Brasport, 2012.
TOOLEY, M. Circuitos Eletronicos: Fundamentos e Aplicações. 3. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2007.
USDE. The Modern Grid: A vision for the smart Grid. 2009. Disponível em:
<http://www.netl.doe.gov/smartgrid/referenceshelf/whitepapers/Whitepaper_The%20Modern%20Grid%20Vision_APPROVED_2009_06_18.pdf>. Acesso em: 27 jun. 2013.
WIFI. Introduction to Wi-Fi (802.11 or WiFi). 2010. Disponível em:
<http://pt.kioskea.net/contents/790-introducao-ao-wi-fi-802-11-ou-wifi>. Acesso em: 6 jul. de 2013.
