Artigo Versao Final [Revisao 01]

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BIMS - SISTEMA DE MONITORAMENTO DE CONSUMO ELÉTRICO
Carlos Thayrone S. De Oliveira¹, Matheus G. Pereira de Oliveira², Odilon Pimentel Salgado Neto³
Orientador: Prof.: M. Sc. Paulo Roberto dos Santos - Engenharia Civil
Carlos Thayrone S. de Oliveira – Engenharia da Computação – thayrone2005@gmail.com
Matheus G. Pereira de Oliveira - Engenharia da Computação - math_oliveira@outlook.com
Odilon Pimentel Salgado Neto - Engenharia da Computação - odilon.psn@gmail.com
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RESUMO:
Este artigo tem por objetivo introduzir e detalhar o projeto BIMS, um sistema capaz de medir e armazenar dados do consumo de energia elétrica residencial em vários pontos de uma residência (tomadas, lâmpadas, chuveiros e etc.). 
Os Sensores inteligentes e econômicos do BIMS realizam medições instantâneas da corrente elétrica e as enviam para o Sistema BIMS, proporcionando assim, o monitoramento em tempo real das informações e também o armazenamento dessas medições em banco de dados para análise futura.
Os dados do consumo elétrico podem ser acessados de qualquer lugar do mundo, através dos navegadores de internet, em dispositivos como smartphones, tablets e notebooks.
A vantagem do uso do BIMS é transformar dados em informação para os usuários, fomentando a conscientização sobre o consumo sustentável, a eficiência energética e responsabilidade ambiental.
 
Palavras-chave: Consumo, Energia Elétrica.
INTRODUÇÃO
No Brasil o desperdício de energia elétrica corresponde a 40 milhões de KWh por ano, sendo 22 milhões de KWh (55 %) de desperdício causados pelos setores industrial, comercial e residencial juntos (PROCEL, 2014).
A sessão 15 do capitulo 4 da Agenda 21 Global criada pela ONU em 1992 e fornecida para consulta no sítio do Ministério do Meio Ambiente, destaca a importância de se aplicar uma filosofia sustentável no consumo de energia: 
4.15 - A fim de que se atinjam os objetivos de qualidade ambiental e desenvolvimento sustentável será necessário eficiência na produção e mudanças nos padrões de consumo para dar prioridade ao uso ótimo dos recursos e à redução do desperdício ao mínimo. Em muitos casos, isso irá exigir uma reorientação dos atuais padrões de produção e consumo, desenvolvidos pelas sociedades industriais e por sua vez imitados em boa parte do mundo. (Agendar 21 Global, 1992, Rio de Janeiro)
Assim evitar desperdícios de energia elétrica, seja em qual setor de um país ela esteja presente, corresponde a uma manifestação prática da filosofia sustentável. 
É visando contribuir para a sustentabilidade do planeta que o BIMS se firma. Se não há como mensurar ou avaliar os desperdícios não há como contribuir para a sua redução, e cabe aqui não só a aquisição do entendimento do que seja desperdício, mas também a aquisição de uma postura favorável contra o desperdício. 
O BIMS é uma ferramenta sistematizada que possibilita a visualização do consumo de energia elétrica, atuando com medições de corrente elétrica em vários pontos da residência ou do estabelecimento. Com os dados da medição é possível realizar análises que podem ajudar a identificar causas de desperdício e também refletir em diminuição de custos.
O objetivo deste artigo técnico é detalhar o desenvolvimento do projeto BIMS e apresentar conclusões e resultados do desenvolvimento do projeto. 
METODOLOGIA
Através da arquitetura geral do BIMS (Fig. 1), podemos entender como fora desenvolvido a estrutura e o funcionamento do projeto. 
Figura 1 – Arquitetura Geral do BIMS
A comunicação entre os medidores e o gateway é feita sem fios e utiliza-se um SoC (System on Chip) da Texas Instruments (CC1110) que possui, em um só circuito integrado, um microcontrolador de 8 bits (8051) e o hardware necessário para o rádio.
A frequência de comunicação entre os medidores de consumo de energia elétrica e o gateway é de 915 Mhz, padrão ISM - Industrial, Scientific and Medical, regulamentada no Brasil pela Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL). A antena pode ser desenvolvida no próprio circuito impresso. O fato da frequência 915 Mhz ser liberada pela ANATEL não exime o projeto, caso seja comercializado, do processo de homologação da agência. 
A comunicação do gateway com o sistema na internet é feita através de requisições HTTP. 
Nas próximas partes do artigo são mostradas as confecções de cada componente do sistema.
 - Desenvolvimento do Sistema Web
O Sistema Web que compõe o BIMS fora desenvolvido no modelo client-server e mantém claramente a separação entre frontend e backend. Assim o cliente não está acoplado ao sistema no servidor, acessando-o através de requisições HTTP com parâmetros JSON (JavaScript Object Notation).
Essa metodologia de desenvolvimento aplicada facilita a manutenção do projeto, uma vez que torna-se possível manter a independência entre o frontend e o backend. 
O sistema está acessível em www.tcc-bims.appspot.com.
 - Backend do Sistema Web
O backend fora desenvolvido em JAVA e roda na plataforma do Google App Engine, um serviço da Google Inc. que utiliza o conceito de PaaS (Platform as a Service).
Deste modo o sistema utiliza-se da infraestrutura da Google Inc. para ter alta disponibilidade e escalabilidade. Esta plataforma nos oferece gratuitamente acesso ao servidor de aplicação web e acesso ao banco de dados, desde que não se ultrapasse os limites de utilização dos recursos definidos pela empresa Google Inc.
O backend do BIMS disponibiliza uma API (Application Programming Interface) através do protocolo HTTP gerando facilidade no desenvolvimento de aplicativos clientes.
Como exemplos de aplicativos clientes, podemos citar a interface web (frontend - desenvolvida pelo projeto), aplicativos para dispositivos móveis como Android e IOS além de plugins para o programa Microsoft Excel, Google Spreed Sheet, além de programas para desktop. 
 
 Frontend do Sistema Web
O desenvolvimento da interface gráfica utilizou o framework Bootstrap, que auxilia o desenvolvedor a se beneficiar das tecnologias do HTML5 como media querys e canvas. 
Essas tecnologias permitem que o sistema seja amigável e que incorpore o padrão de layout responsivo. Isso implica que a aplicação precisa ser executada em navegadores atuais, como o Google Chrome, Firefox e Internet Explorer 9.
Entende-se por layout responsivo que a visualização do conteúdo da página venha a ser realizada em displays de diferentes tamanhos e resoluções, proporcionando uma boa experiência aos usuários, tanto em tablets, smartphones como também em telas maiores.
A programação da interface que se comunica com a API, disponibilizada pelo backend do BIMS e que também automatiza o sistema, fora realizada com a utilização da biblioteca Javascript JQuery.
Para gerar o gráfico do tipo relógio usado para o monitoramento online do consumo de energia elétrica, foi utilizado o Google Charts, uma ferramenta poderosa, simples de usar e gratuita disponibilizada pela Google Inc. com muitas possibilidades e exemplos.
Na interface do BIMS ocorre a leitura e atualização dos dados do servidor a cada 5 segundos através de uma requisição HTTP/POST realizadas por um método JQuery.
 - Desenvolvimento do Gateway
O gateway do BIMS é um programa capaz de ler os dados dos sensores que realizam a medição e envia-los para o sistema na internet. Naturalmente o programa necessita de um computador para ser executado.
O hardware escolhido para caracterizar o computador e realizar a execução do programa foi o Mini PC Raspberry PI (Fig.2), sendo escolhido por seu preço, sua conectividade e seu baixo consumo de energia.
Figura 2 – Mini PC Raspberry PI
As características do Mini PC Raspberry PI são:
SoC Broadcom BCM2835;
CPU com núcleo ARM1176JZF-S de 700 MHz;
512 MB RAM;
2 portas USB 2.0;
Alimentação necessária: 5 V, 700 mA via microUSB;
Suporta Debian GNU/Linux, Fedora, Arch Linux, RISC OS e mais;
Ethernet 10/100 (RJ45);
Periféricos de baixo nível: 8 x GPIO, UART, I2C bus, SPI bus, +3.3V, +5V e Terra;
O hardware que compõe o computadordo gateway do BIMS precisa do acoplamento de um hardware adicional que permite a comunicação entre o programa e os sensores que realizam as medições.
O kit de desenvolvimento CC1111(Fig. 3) facilita o desenvolvimento de uma interface entre o microcontrolador e um PC, no nosso caso o Mini PC Raspberry PI.
Figura 3 - Kit de Desenvolvimento CC1111
	O CC1111 já possui driver para Linux. Ele fornece uma “Porta Serial Virtual” que é acessada polo software do gateway e faz a tradução dos dados do RF para dados seriais em 115200 bps. Por fim, estes dados são lidos pelo programa implementado em Python (Fig. 4). 
Figura 4 - Fluxograma do programa do gateway implementado em Python
2.5 - Desenvolvimento do medidor de corrente elétrica
O medidor de corrente elétrica foi pensado para ser um equipamento não invasivo, de fácil instalação e com baixo consumo de energia. 
 Além disso, o medidor comunica-se com o gateway sem a utilização de fios, alcançando distancias de até 250 metros sem obstáculos. Porém em uma residência existem paredes, mobílias e equipamentos que diminuem o alcance dos medidores, sendo necessária a execução testes durante a instalação. 
A composição do medidor possui 2 componentes de hardware fundamentais:
O sensor de corrente ACS712 30A - Allegro MicroSystems, Inc.
O microcontrolador CC1110 - Texas Instruments.
2.5.1 - Sensor de corrente ACS712 5A - Allegro MicroSystems, Inc
O ACS712 5A(Fig. 5) é um sensor de Corrente Alternada (CA) ou Corrente Contínua (CC) por efeito Hall (Campo Mágnetico) encapsulado no padrão SOIC8 (Montagem de superfície)
Figura 5 – Sensor de corrente ACS712 5A
A fase do cabo CA deve ser colocado em série com o sensor, como um amperímetro.
O ACS712 5A precisa de alguns componentes externos para funcionar como mostra a Figura 6:
Figura 6 – Esquema Elétrico de Funcionamento do Sensor ACS712 5A
A alimentação do sensor é de 5V e o resultado da medição é fornecido em um pino de saída analógico Vout com a relação de 185mV/A.
As características do sensor ACS712 5A são:
Máximo de 5 amperes;
Baixo nível de ruído no sinal analógico;
O tempo de resposta para entrada de corrente de 5us;
Largura de faixa de 80 KHz;
Erro na saída  a 25ºC é de 1.5%;
Resistência de condutor interna de 1.2mOhm;
Isolação de no mínimo 2.1 kVRMS entre os pinos 1-4 e 5-8;
Tensão de alimentação e operação de 5Vdc;
Sensitividade de saída: 185mV/A;
Tensão de saída proporcional para correntes AC ou DC;
Tensão offset de saída extremamente estável;
Histerese magnética próxima a zero;
2.5.2 - O Kit de Desenvolvimento CC1110
O microcontrolador escolhido para desenvolver o medidor de consumo foi o CC1110 da Texas Instruments que tem o conjunto de instruções e arquitetura interna do 8051 e que também incorpora, no mesmo chip, um hardware de rádio-frequência de 915Mhz, capaz de alcançar até 250 metros em ambientes sem obstáculos e interferências.
Para facilitar o desenvolvimento a Texas Instruments vende no seu site um kit de desenvolvimento (Fig. 7).
Figura 7 – Kit de Desenvolvimento CC1110
As características do microcontrolador CC1110 são:
Radio:
Transceptor de RF baseado no CC1101
Alta Sensibilidade (–110 dBm at 1.2 kBaud)
Frequencia de dados de até 500 kBaud
Potência de saída programável de até 10 dBm 
Range de Frequência: 300 – 348 MHz, 391 – 464 MHz e 782 – 928 MHz
Digital RSSI / LQI support
Baixo Consumo:
Baixo consumo de corrente (RX: 16.2 mA at 1.2 ; kBaud, TX: 15.2 mA at −6 dBm output power);
0.3 µA em Power Mode 3 (mínimo);
0.5 µA em Power Mode 2 (acordado por timer);
Geral:
Encapsulamento 6 mm × 6 mm QFN-40;
32 KB flash, e 4 KB RAM;
ADC 7 – 12 bits com até oito entradas;
01 I2S;
02 USART;
01 timer de 16-bit;
03 timers de 8-bit;
Alimentação de 2.0V – 3.6V;
2.5.3 - O ambiente de desenvolvimento
Em teoria, qualquer compilador de 8051 pode gerar código para o CC1100, porém para se utilizar das bibliotecas que facilitam o uso do transceptor RF e todos os exemplos de uso fornecidos pela Texas Instruments como conversor analógico para digital (ADC), comunicação serial, timer e outros periféricos, só existe uma opção, o IAR Embedded Workbench for 8051.
O IAR é um ambiente completo para o desenvolvimento de software para sistemas embarcados e dispõe de bibliotecas de registradores para inúmeros microcontroladores de vários fabricantes e conta também com o editor de textos, compilador completo, assembler, linker, debugger, simulador, otimizador de código e ferramentas de teste e validação estática de código e padrões de programação.
Esse ambiente de desenvolvimento é pago, porém possui versões de avaliação que foram usadas para desenvolvimento desse projeto. 
O código é feito em linguagem C ou Assembly para o 8051.
2.5.4 - Desenvolvimento do software embarcado
O desenvolvimento do projeto final conta com alguns desafios definidos, como a conexão do ACS712 5A em algum pino de I/O do CC1110 configurado para leitura analógica.
O pino escolhido foi o P0_5 que pode ser configurado como porta I/O analógica armazenando as leituras em um receptor de 10 bits de resolução.
Figura 8 – Voltage de Saída por Corrente medida
Como já mencionado o sensor fornece 185 mV/A. O código de programação do CC1110 por sua vez armazena esse valor em um registrador de 10 bits, ou seja de 0 à 1023.			
Quando o valor da corrente elétrica (utilizado para identificar o valor do consumo) é zero a tensão na saída do sensor é igual a Vcc/2 = 2,5. 
Para calcularmos a corrente do sensor devemos ajustar o valor lido para Volts. Como trabalhamos na escala de 0-1023 vamos retirar a tensão por unidade fazendo 5/1023 que é igual a: 0.004887586.
Agora nossa corrente é calculada da seguinte maneira:
I = [Valor_Sensor - ( Max/2 )] * [( 5/1023) / 185 mV/A]
Ou seja:
I = [Valor_Sensor - ( 1023/2 )] * (0.004887586 / 0.185)
Para primeiro protótipo o grupo desenvolveu o medidor utilizando o Arduino UNO (Fig. 9), antes de porta-lo para o Kit de desenvolvimento CC1110.
Figura 9 – Conexão Sensor & Arduino UNO
A vantagem de prototipar com o Arduino é a facilidade de desenvolvimento que ajudou a desmistificar o sensor de corrente e também a possibilidade de utilizar um display de maneira fácil e rápida(Fig. 10). 
Figura 10– Conexão Sensor, Arduino UNO e Display 
2.5.5 Conexão Sem-Fios
 
O próximo desafio foi enviar os dados de consumo para o gateway através de uma rede sem-fios. O microcontrolador CC1110 tem incorporado um hardware transceptor de RF proprietário da Texas Instruments, com apenas alguns poucos capacitores, resistores e indutores que servem para unir a impedância do CC1110 com a antena desenhada no próprio circuito impresso(Fig. 11).
Figura 11 - Antena do CC1110
Porém, configurar os registradores, calibrar a frequência e definir uma estratégia de comunicação com o CC1110 pode ser uma tarefa bastante difícil e que faz com que o tempo de desenvolvimento seja muito grande, principalmente para desenvolvedores que não tenham intimidade com aplicações de rádio-frequência.
Para resolver esse problema a Texas Instruments disponibiliza um protocolo, proprietário, porém de código aberto que pode ser usado para o desenvolvimento sem pagamento de nenhum tipo de royalty. Esse protocolo foi batizado pela Texas Instruments como SimpliciTI.
O SimpliciTI permite conexão baseada em IDs para cada componente da rede, que podem ser pontos de acesso, dispositivo final ou extensores de range.
3 - RESULTADOS
Como vimos, o sistema é composto por três partes e com isto obtivemos três resultados parciais e o resultado da integração do sistema.
Em relação a parte do Sistema Web, este está funcional e apresenta as seguintes características:
recebe novas leituras dos medidores de consumo e armazena no banco de dados;
permite ocorrência de cadastro, edição e exclusão de novos tags e gateways;
realiza busca do histórico de leituras por dia;
apresenta interfacede monitoramento em tempo real;
O gateway também está funcional. O programa em Python, sendo executado na Raspberry PI, recebe as leituras de consumo dos medidores pela porta serial e as envia para o Sistema Web. A leitura do buffer da porta serial acontece de um em um segundo, e se os dados forem válidos são para o sistema web através de uma requisição via protocolo HTTP.
O sensor que faz a medição de corrente elétrica fora desenvolvido em duas versões, uma utilizando a plataforma Arduino e outra utilizando o CC1110.
Inicialmente a versão baseada em Arduino foi usada para abstrair o sensor de corrente elétrica, mas também ficou interessante porque possui display, o que permite a visualização instantânea do valor da corrente e a potência totalizada desde o inicio do funcionamento, considerando uma tensão de 127V. 
Como a tensão da rede pode variar o ideal é que o sensor também realize a medição da tensão, mas isso ficou para uma versão futura do projeto.
O medidor baseado no CC1110(Figuras 12.1 e 12.2) também fora implementado e nessa versão não há display mostrando o valor atual ou totalizado uma vez que o objetivo dessa versão era mandar as medições por RF para o gateway, que então as enviaria para o sistema web.
Figura 12.1 – Medidor CC1110
Figura 12.2 – Parte de baixo do Medidor CC1110
Testamos a comunicação com o gateway e o envio das leituras para a internet utilizando a versão do medidor baseado no Arduino e validamos a comunicação entre eles(Fig. 13).
Figura 13 – Interação entre Componentes do BIMS
 Até a finalização do artigo não tivemos sucesso na implementação da comunicação sem fios entre o medidor baseado no CC1110 e o gateway. O grupo espera terminar essa parte até a apresentação na 4ª Feira de Tecnologia da Faculdade Metrocamp, que ocorrerá nos das 17 e 18 de Novembro de 2014, onde o projeto será exposto.
4 - CONCLUSÃO
	Durante o desenvolvimento do projeto o grupo observou o potencial de implementar novas funcionalidades como a geração de alertas (envio de e-mail ou SMS) caso a corrente elétrica apresente valores acima ou abaixo do esperado, tornando o sistema mais ativo em relação ao usuário. 
Outra possibilidade também é extender o monitoramento do consumo para outras variáveis, além da corrente elétrica, como o nível de caixas d’água e temperaturas.
O desenvolvimento do projeto foi bastante extenso e exigiu aplicação prática e teórica em vários aspectos do curso de Engenharia da Computação. O grupo acredita que o projeto está bem alinhado com os objetivos do curso.
5 - AGRADECIMENTOS
	Agradecemos aos Professores Kesede Julio e Claudio Umezu por nos auxiliarem com críticas construtivas e sugestivas durante a fase inicial de desenvolvimento do projeto. 
Agradecemos o nosso orientador Professor Mestre Paulo Henrique pelo acompanhamento no processo conclusivo do projeto.
O grupo também agradece a Faculdade Metrocamp e a todos os demais que compõem o corpo docente e que nos proporcionaram um ambiente criativo e amigável para o desenvolvimento desse projeto.
 
6 - REFERÊNCIAS 
[01]	BANZI, MASSIMO, “Primeiros Passos com o Arduino”. O’relly Novatec, 2011. 
[02]	RICHARDSON, MATT, “Primeiros passos com a Respberry PI”. O’relly Novatec, 2013.
[03]	Revista Petrobras, “A conquista da Auto-Suficiência”. Editora Abril, 2006. 
[04]	TANNENBAUM, ANDREW, “Sistemas Operacionais: Projeto e Implementação” Bookman companhia editora ltda, Edição 2008. 
[05]	J.WETHERALL, DAVID; TANENBAUM, ANDREW, “Redes de Computadores”, Pearson Education, 5ª Edição
[06]	NICOLOSI, DENYS: “Microcontrolador 8051 Detalhado”. Érica 1995
[07]	GIMENEZ, SALVADOR PINILLOS: “Microcontrolador 8051 Teoria e Prática”. Érica 1997
[08]	ROBBINS, ALLAN; MILLER WILHELM:
“Análise de Circuitos – Teoria e Prática”. Tradução 4° Americana Edição 2010.
[09]	MALVINO, ALBERT PAUL; BATES, DAVID: “Eletrônica Vol 1” 7ª Edição McGraw-Hill 2008.
[10]	BOYLESTAD, ROBERT L: “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos” LTC 2008
[11]	EPE - Empresa de Pesquisa Energética, Fluxo de Energia Elétrica – BEN 2014 / Ano Base 2013. Disponível em :
<>https://ben.epe.gov.br/downloads/Relatorio_Final_BEN_2014.pdf
[12]	Ministério do Meio Ambiente, Eficiência Energética e Conservação de Energia. Disponível em:
<> http://www.mma.gov.br/clima/energia/eficiencia-energetica
[13]	Agenda 21 Global, 1992, Rio de Janeiro. Disponível em : <>http://www.mma.gov.br/responsabilidade-socioambiental/agenda-21/agenda-21-global