Utilização de tecnologia sem fio de longo alcance para Smart grids/Use of long range wireless technology for Smart grids

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 7, p. 54005- 54013 jul. 2020. ISSN 2525-8761

Utilização de tecnologia sem fio de longo alcance para Smart grids

Use of long range wireless technology for Smart grids

DOI:10.34117/bjdv6n7-882

Recebimento dos originais:08/06/2020 Aceitação para publicação:31/ 07/2020

Luiza Higino Silva Santos

Graduada em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas

Instituição: Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas,

Endereço: Rua Professor Dr. Euryclides de Jesus Zerbini, 1.516 - Parque Rural Fazenda Santa Cândida, Campinas – SP, Brasil

E-mail: luizahiginoss@gmail.com

Lia Toledo Moreira Mota

Doutora em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Instituição: Pontifícia Universidade Católica de Campinas – PUC-Campinas,

Endereço: Rua Professor Dr. Euryclides de Jesus Zerbini, 1.516 - Parque Rural Fazenda Santa Cândida, Campinas – SP, Brasil

E-mail: lia.mota@puc-campinas.edu.br

RESUMO

As Redes Inteligentes ou Smart Grids se apoiam em quatro pilares principais: automação, medição

inteligente, geração distribuída e armazenamento de energia. A implementação desses quatro pilares passa pela definição de arquiteturas de redes de comunicações de dados. A tecnologia de transmissão sem fio aqui proposta é a tecnologia de longo alcance (dezenas e até centenas de quilômetros, dependendo das condições de aplicação), como por exemplo, a tecnologia LoRa (Long Range), e de baixo consumo de energia elétrica, configurando uma LPWAN (Low Power Wide Area Network). O sensoriamento/monitoramento aqui proposto é fruto dos resultados do trabalho intitulado “Comparação de dispositivos utilizando transceptores CC1101 como proposta para uma rede de infraestrutura avançada de medição 915MHz para Smart Metering”, apresentado no BTSym 2017 (Brazilian Technology Symposium – 2017), desenvolvido por mestrandos do Grupo de Pesquisa em Eficiência Energética da PUC-Campinas. A partir das análises apresentadas neste trabalho, surgiu a ideia da utilização de uma tecnologia sem fio de longo alcance para o monitoramento de diferentes tipos de grandezas e uma Rede Elétrica Inteligente. Assim, este trabalho teve por objetivo analisar a utilização de tecnologia sem fio de longo alcance para aplicações em Smart Grids (Redes Inteligentes) na medição inteligente de energia elétrica.

Palavras-Chave: Redes elétricas inteligentes, LoRa, LPWAN, Smart Grids, RSSF. ABSTRACT

Intelligent Networks or Smart Grids rely on four main pillars: automation, smart metering, distributed generation and energy storage. The implementation of these four pillars involves the definition of data communication network architectures. The wireless transmission technology

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proposed here is long range (tens and even hundreds of kilometers, depending on the application conditions), such as LoRa (Long Range) technology, and low power consumption, configuring a LPWAN (Low Power Wide Area Network). The sensoring/monitoring proposed here is the result of the work entitled "Comparison of devices using CC1101 transceivers as a proposal for an advanced infrastructure network of 915MHz measurement for Smart Metering", presented at the BTSym 2017 (Brazilian Technology Symposium - 2017), developed by master students of the Energy Efficiency Research Group of PUC-Campinas. From the analyses presented in this work, the idea of using a long range wireless technology for monitoring different types of magnitudes and an Intelligent Electrical Network emerged. Thus, this work aimed to analyze the use of long range wireless technology for applications in Smart Grids (Intelligent Networks) in the intelligent measurement of electrical energy.

Keywords: Smart Grids, LoRa, LPWAN, Smart Grids, RSSF.

1 INTRODUÇÃO

O conceito de Smart Cities, Cidades Inteligentes, diz respeito a soluções de tecnologia de informação e comunicação (TIC) para analisar uma grande quantidade de dados relacionados à cidade, a fim de melhorar sua infraestrutura de forma sustentável, otimizar a utilização de recursos e aumentar a qualidade de vida da sua população (KON, 2016). Dentro desse macro conceito, pode ser destacado o conceito de Smart Grids, Redes Elétricas Inteligentes, que seria a aplicação das TICs em geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica (LOPES 2012).

A estrutura da rede de energia elétrica continuou progressivamente sendo desenvolvida pelos últimos 100 anos e consolidou-se na transmissão de altas tensões em três fases em corrente alternada e utilizando corrente contínua em baixa tensão. Atualmente, a rede elétrica enfrenta alguns desafios, como sustentabilidade, visto que um dos principais combustíveis para geração de energia elétrica é o petróleo (cuja queima libera gás carbônico), aumento da demanda de consumo e infraestrutura obsoleta (LI, 2010).

Para primeiramente avaliar a rede elétrica e em seguida tornar mais fácil a implementação de recursos associados à inteligência da rede, deve-se monitorá-la de forma adequada, empregando uma plataforma digital que seja rápida e confiável no sensoriamento, na medida das grandezas relacionadas e na comunicação dos dados coletados (LI,2010). Um dos grandes desafios para monitoramento de redes elétricas se dá por conta da distribuição geográfica dessas redes: muitas delas são de difícil acesso (MENKES, 2004). Para resolver ou amenizar esse problema, a ideia de acoplar à medição energética um rádio parece apropriada, propondo, assim, um cenário de uma rede de sensores sem fio (RSSF). Outro fator primordial, por conta da distribuição geográfica, é utilizar uma tecnologia de longo alcance.

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Entrando, então, no campo da comunicação, hoje existem diversas tecnologias de comunicação sem fio que contemplam o conceito das Smart Grids e Smart Cities como Wi-Fi, Zig Bee, IP, Bluetooth, LoRa (Long Range), com as três últimas agregadas no grupo de Low Power Solutions, ou seja, soluções com baixo consumo de energia. A tecnologia LoRa apresenta uma vantagem em relação às outras duas Low Power, pois abrange uma maior área de cobertura e, diferente da telefonia celular, foi desenvolvida para uma taxa de transferência mais baixa, ou seja, transmissão de pequenas quantidades de dados, excelente para aplicações de Internet das Coisas (ELKHODR, 2016). A Internet das Coisas, do inglês Internet of Things (IoT), é o termo utilizado para caracterizar a rede global que interconecta objetos inteligentes, as tecnologias que viabilizam essa rede e o conjunto de aplicações e serviços proporcionados pelos dois itens anteriores (MIORANDI 2012). Este trabalho propõe, então, que seja implementada uma RSSF utilizando módulos de rádio frequência com tecnologia LoRa para utilização em Smart Grids.

2 OBJETIVOS

O objetivo desde trabalho foi avaliar a viabilidade de aplicação da tecnologia LoRa em Smart Grids.

3 METODOLOGIA

Foram realizados estudos, visando a compreensão e interligação entre diferentes tópicos - RSSF, Padrões para transmissão de dados sem fio, Tecnologia LoRa e LPWAN e foi proposta e implementada uma arquitetura de RSSF, conforme a Figura 1. A análise da viabilidade de aplicação dessa dessa tecnologia em Smart Grids contemplou a utilização do protocolo e de tamanhos da mensagem tipicamente utilizados em Smart Grids.

Foram realizados testes em campo para verificar o alcance da rede proposta em um ambiente urbano, que caracteriza um ambiente típico onde a infraestrutura de uma Rede Inteligente está usualmente inserida. Nesse tipo de ambiente, repleto de obstáculos à comunicação (edificações), o alcance da transmissão de dados é de fundamental importância. Assim, nesses testes, foi variada a distância entre transmissor e receptor e coletados os dados de RSSI (Received Signal Strength Indicator) da comunicação para verificar o alcance da tecnologia LoRa.

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Figura 1 – Topologia da LPWAN (Adaptado de https://abinc.org.br/lora-em-acao-praticando-a-teoria/)

Para as primeiras abordagens utilizando LoRa, foi estabelecido um nó denominado RX (receptor) e outro denominado TX (transmissor), ambos com o mesmo hardware. Foi utilizado um módulo UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) para visualização da porta Serial do nó sensor. O conjunto é apresentado na Figura 2.

Figura 2 - Estrutura de Hardware do primeiro teste (Elaboração própria)

Os testes iniciais foram realizados na PUC-Campinas no dia 19/02/2019, apenas para estabelecer comunicação entre os módulos e avaliar a RSSI (Received Signal Strength Indication), índice que indica qual a intensidade do sinal recebido em dBm. O algoritmo do firmware era simples: TX envia uma solicitação de leitura de temperatura para RX, RX envia de volta o valor lido, assim tem-se a RSSI do sinal que vai de TX → RX e do sinal retornado de RX→TX.

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4 RESULTADOS

A Tabela 1, a seguir, mostra os resultados obtidos com os primeiros testes. As distâncias entre os pontos de medição foram calculadas utilizando a ferramenta Medir Distância do site https://maps.google.com.

Tabela 1 – Resultados do primeiro teste Distância (m) RSSI RX (dBm) RSSI TX (dBm) Obs: 18,32 -63 -63 Teste realizado no Laboratório de Eletrônica (LABEL) com rádios em visada sem obstáculos.

18,32 -63 -70

Teste realizado no Laboratório de Eletrônica com rádios em visada com uma porta como obstáculo.

18,32 -52 -56

Teste realizado no Laboratório de Eletrônica com rádios em visada com duas portas como obstáculo. 149,58 -101 -

Teste entre estação TX fixa no LABEL e RX na FAU (Figura 9)

Pode-se observar com esses primeiros testes que a tecnologia LoRa se mostrou bastante eficiente para atravessar obstáculos e que as menores RSSIs foram próximas a -100dBm. Os três primeiros testes mostraram que a intensidade do sinal recebido foi maior quando havia mais obstáculos entre as estações TX e RX.

Para validar de maneira mais coerente a real distância que pode ser alcançada, utilizando LoRa, decidiu-se fazer testes com baixa latência, ou seja, as mensagens eram apenas enviadas pelo transmissor apenas quando o receptor estivesse devidamente alocado. Os testes foram realizados com o transmissor localizado no Laboratório LPSIRA (Laboratório de Sistemas Rádio) da PUC-Campinas e o receptor mudando por nove localizações diferentes ao redor do Parque das Universidades (bairro onde fica localizada a Universidade).

Os três principais resultados obtidos são os que consideram a RSSI entre o LPSIRA e o Auditório Dom Gilberto (Figura 3, Tabela 2), entre LPSIRA e a rotatória próxima à Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da PUC-Campinas (Figura 4, Tabela 3) e entre o LPSIRA e uma medição próxima à FACAMP (Figura 5, Tabela 4).

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Figura 3 - TX SIRA e RX no Auditório Dom Gilberto

Tabela 2 - Testes em campo aberto: RX Dom Gilberto

Bytes RSSI TX (dBm) 1 -97 50 -98 100 ** 150 -101 200 -96 251 -101

Nesta tabela, percebe-se que os valores variaram num range de 4dBm, significando maior instabilidade durante o envio/recepção da mensagem. Pode-se levar em conta que entre o TX e RX para este caso há bastante estrutura construída. O segundo local de medição foi em frente ao SIRA, no Balão em frente à Faculdade de Arquitetura e Urbanismo (FAU) da PUC-Campinas. A Figura 4 explicita que a distância entre TX e RX neste caso foi de 86,23m e a Tabela 3 mostra os resultados de RSSI obtidos.

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Tabela 3 -Testes em campo aberto: RX Balão FAU

Bytes RSSI TX (dBm) 1 -84 50 -85 100 -84 150 -88 200 -88 251 -89

Para esta medição, o RSSI é bem maior que no primeiro caso e pode-se concluir que seja decorrente da menor distância e da menor quantidade de edificações entre os pontos de medição. Todas as mensagens foram recebidas corretamente. A próxima e última medição foi realizada há cerca de 1,68km de distância do ponto de transmissão, conforme Figura 5, e os resultados obtidos constam na Tabela 4.

Figura 5 - TX SIRA e RX Facamp

Tabela 4 - Testes em campo aberto: RX Facamp

Bytes RSSI TX (dBm) 1 -102 50 -102 100 -103 150 -101 200 -102 251 -101

Neste caso, a RSSI atingiu seu valor mínimo de -103dBm, indicando que a partir deste ponto pode ser inviável tentar estabelecer uma comunicação.

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4 CONCLUSÃO

Primeiramente, foi fundamental o embasamento teórico em torno dos conteúdos necessários para o estudo da RSSF voltada para Smart Grids, utilizando tecnologia LoRa. Não foi possível a utilização de um medidor de energia real em virtude dos altos custos envolvidos na compra do mesmo. Portanto, foram feitas adaptações para adequação em diversos tipos de cenário e os resultados obtidos atestam a validade da tecnologia LoRa para mensagens do medidor de energia que não ultrapassem o tamanho de 251 bytes.

Pelos testes realizados, pode-se concluir que o tamanho da mensagem (até 251 bytes) não interfere, de maneira relevante, no funcionamento do protocolo, uma vez que todas as mensagens que foram enviadas chegaram corretamente ao seu destino. Todavia, a tecnologia não se limita a apenas utilização no ramo de eficiência energética em Smart Grids, mas sim em uma gama de aplicações de monitoramento de outras grandezas que também são relevantes para avaliação do meio.

Por conta dos primeiros resultados obtidos em ambiente construído, o foco do trabalho voltou-se a verificar de fato se a tecnologia LoRa apresentaria alcance de comunicação maior que as demais tecnologias já utilizadas. Vale lembrar que LoRa não deve ser utilizado em aplicações com quantidades massivas de dados a serem trocados e com latência mais baixa que em outras redes de comunicação à distância.

A utilização de um micro controlador, como o ATmega328 por exemplo, facilita a implementação de uma série de sensores e medidores pois contempla diversas outras interfaces de comunicação além da SPI utilizada para comunicação direta com o RFM95.

Conclui-se, portanto, que a tecnologia LoRa ainda necessita de mais testes para de fato consolidar a RSSF utilizando essa tecnologia, porém a viabilidade de aplicação em Smart Grids (considerando os parâmetros de distância e latência) é quase inegável, tendo em vista os testes realizados e as distâncias nas quais a troca de mensagens foi viável.

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REFERÊNCIAS

KON, Fabio; SANTANA, Eduardo Felipe Zambom. Cidades Inteligentes: Conceitos, plataformas e desafios. Jornadas de Atualização em Informática, p. 17, 2016.

LOPES, Yona et al. Smart grid e iec 61850: Novos desafios em redes e telecomunicaçoes para o sistema elétrico. XXX Simpósio Brasileiro de Telecomunicações, 2012.

LI, Fangxing et al. Smart transmission grid: Vision and framework. IEEE transactions on Smart

Grid, v. 1, n. 2, p. 168-177, 2010.

ELKHODR, Mahmoud; SHAHRESTANI, Seyed; CHEUNG, Hon. Emerging wireless technologies in the internet of things: a comparative study. arXiv preprint arXiv:1611.00861, 2016.

MIORANDI, Daniele et al. Internet of things: Vision, applications and research challenges. Ad hoc

networks, v. 10, n. 7, p. 1497-1516, 2012.

POTTIE, Gregory J.; KAISER, William J. Wireless integrated network sensors. Communications

of the ACM, v. 43, n. 5, p. 51-58, 2000.

HASSAN, Sabo Miya et al. Application of wireless technology for control: A WirelessHART perspective. Procedia Computer Science, v. 105, p. 240-247, 2017.

What Is LoRa? SEMTECH. Disponível em: https://www.semtech.com/lora/what-is-lora. Acesso em 18 de fev. 2019

About LoRaWAN. LoRa Alliance. Disponível em https://lora-alliance.org/about-lorawan. Acesso em 18 de fev. 2019

Datasheet SX127x SEMTECH. Disponível em: https://cdn-shop.adafruit.com/product-files/3179/sx1276_77_78_79.pdf. Acesso em 21 de fev. 2019

Datasheet RFM9x. HOPERF Electronic. Disponível em: https://cdn.sparkfun.com/assets/learn_tutorials/8/0/4/RFM95_96_97_98W.pdf. Acesso em 21 de fev. 2019