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Universidade Nove de Julho Departamento de Ciências Exatas Engenharia Elétrica Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica. RA: 314202979 Francinaldo G. da Silva RA: 314202593 José Novais Junior RA: 314201634 Thiago C. A. Dantas RA: 314203675 William Carlos Olanda Telemétrico São Paulo 2019 RA: 314202979 Francinaldo G. da Silva RA: 314202593 José Novais Junior RA: 314201634 Thiago C. A. Dantas RA: 314203675 William Carlos Olanda Telemétrico Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso da Faculdade UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO – UNINOVE Departamento de Ciências Exatas como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Elétrica. Orientador: ERASMO ASSUMPÇÃO FILHO São Paulo 2019 RA: 314202979 Francinaldo G. da Silva RA: 314202593 José Novais Junior RA: 314201634 Thiago C. A. Dantas RA: 314203675 William Carlos Olanda Telemétrico Trabalho de Conclusão de Curso da disciplina Faculdade UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO – UNINOVE Departamento de Ciências Exatas, como requisito de obtenção do Trabalho De Conclusão De Curso Em Engenharia Elétrica. Aprovado em 07 de junho de 2019. BANCA EXAMINADORA __________________________________ Prof. Edward Netzer Faculdade Universidade Nove De Julho – Uninove __________________________________ Prof. Faculdade Universidade Nove De Julho – Uninove __________________________________ Prof. Faculdade Universidade Nove De Julho – Uninove _________________________________ Orientador Prof: Erasmo Assumpção Filho Faculdade Universidade Nove De Julho – Uninove Agradecemos o apoio de nossas (os) cônjuges (os) filhos (as), pais e a todos de nossa família que nos auxiliaram neste caminho. A todos os educadores que tivemos o prazer do convívio, especialmente ao professor ERASMO ASSUMPÇÃO FILHO. Pela sua orientação, nossa sincera gratidão. Dedicamos este trabalho à nossa família pelo apoio e compreensão em todos os momentos, especialmente nas situações mais difíceis vividas ao longo dos dias deste décimo semestre de 2019. “Feliz aquele que transfere o que sabe e aprende o que ensina.” RESUMO O projeto telemétrico tem como objetivo a medição de potência aparente em um quadro bifásico residencial ou comercial. O cálculo das potências é realizado através de sensores de corrente (i) Não Invasivo 100 A, modelo SCT-013 e sensor de tensão (v) AC 127 v / 220 v conectados ao QGBT “Quadro Geral de Baixa Tensão” através do microcontrolador Arduino Mega 2560, que após coletar as informações dos sensores realiza o cálculo de potência e encaminha os dados de leitura através do Módulo Wireless ESP8266 para um servidor conectado na rede local ou na nuvem “Cloud”. A interface de usuário é através de ambiente web MySQL que possibilita seu acesso individual por usuário e senha, proporcionando o monitoramento em tempo real do consumo e a visualização gráfica dos dados coletados. Palavras-Chaves: Projeto; Telemétrico; Medição. ABSTRACT The telemetric design has the objective of evaluating the power in a two-phase residential or commercial frame. The calculation of the powers is carried out through the non-invasive voltage sensors 100A, model SCT-013 and voltage sensor (v) CA 127 v / 220 v integrated in the "Low Voltage General Board" QGBT through the Arduino microcontroller Mega 2560, which is collective as the data information performs data transfer and steering instructions over the ESP8266 wireless network to a server connected to the local network or in the "Cloud" cloud. A user interface is through a MySQL environment that enables your individual and user access, providing real-time monitoring of consumption and data graphing. Keywords: Project; Telemetric; Measurement LISTA DE FIGURAS Figura 1. Funcionamento de projeto 21 Figura 2 Demonstração dos sensores, ESP8266, Fonte e Display do Arduino Mega. 24 Figura 3.Fluxograma Arduino Funcionamento. 25 Figura 4 .Fluxograma Arduino Funcionamento. 26 Figura 5.Esquema de Conexão Rede Interna 27 Figura 6. Sensor De Corrente Não Invasivo 100a Sct-013 Para Arduino. 28 Figura 7. Sensor De Tensão Ac 127v/220v Automação Arduino. 31 Figura 8.Triangulo de potencias. 33 Figura 9. Microcontrolador ATmega 2560. 34 Figura 10. Arduino Mega 35 Figura 11. Pinagem de funcionalidade no Arduino Mega2560. 36 Figura 12. Pinagem de funcionalidade no Arduino Mega2560. 37 Figura 13. Pinagem de funcionalidade no Arduino Mega2560. 37 Figura 14. Pinagem de funcionalidade no Arduino Mega2560. 38 Figura 15. Módulo Wireless ESP8266 38 Figura 16. Projeto especial ao projeto telemétrico. 39 Figura 17. Shield para melhorar a performance do sp8266. 40 Figura 18. Shield elaborada no Protheus para SP8266. 41 Figura 19. Shield para melhorar a performance do SP8266. 41 Figura 20. Esquema do circuito. 43 Figura 21. Senoide de pico. 44 Figura 22. Sinal senoide. 45 Figura 23. Michael Widenius (também conhecido por Monty Widenius), David Axmark , nascido em 28 de maio de 1962 na Suécia , é um dos fundadores da MySQL AB 46 Figura 24. Sun Microsystems, empresa que comprou a MySQL. 47 Figura 25. Oracle Corporation é uma empresa multinacional de tecnologia e informática dos Estados Unidos, especializada no desenvolvimento e comercialização de hardware e softwares e de banco de dados. 47 Figura 26. Banco de dados Myadmim, 48 Figura 27. Shield elaborado no Protheus do sensor de corrente. 53 Figura 28. Shield placa elaborado no Protheus do sensor de corrente. 54 Figura 29. Shield placa vista superior elaborado no Protheus do sensor de corrente. 54 Figura 30. Imagem do monitor sensor 1. 55 Figura 31. Imagem do monitor sensor 2. 55 Figura 32. Teste do projeto com um ventilador (Verificar se Possuímos). 56 Figura 33. O experimento do projeto na entrada da residência. 57 Figura 34. O método de ligação na entrada da residência. 57 Figura 35. A análise do visor. 58 Figura 36. Compara Medição do Projeto com Instrumento de Medição. 58 Figura 37 Resumo do ensaio (qualitativo e quantitativo). 61 Figura 38. Curva de Potência gerada com os últimos dados, ligando alguns equipamentos. 63 Figura 39. Curva de Potência gerada com os últimos dados, ligando um micro- ondas. 63 Figura 40. Curva de Potência gerada com os últimos dados, ligando um micro- ondas 64 Figura 41. Curva de Potência gerada com os últimos dados, desligando um micro-ondas. 65 Figura 42. Curva de Potência gerada no Relatório com os últimos banco de dados. 65 Figura 43. Para medição de corrente o Fluke 302 66 Figura 44. Tela do maior valor do Telemétrico gerada pelo analisador Potência 1. 67 Figura 45. Tela do maior valor do Telemétrico gerada pelo analisador Potência 2. 67 Figura 46 Página web. 68 Figura 47 . Principais tags. 68 Figura 48. Ttags do roda pé. 69 Figura 49 .Home da página. 69 Figura 50 Código home da página. 70 Figura 51 . Monitor instantâneo e o gráfico com 20 últimos registros. 70 Figura 52 .Logo UNINOVE. 71 Figura 53 .Busca no Aduno os sensores, e print na tela. 71 Figura 54 . Código do gráfico Google Chart Tools. 72 Figura 55 . Código do gráfico Google Chart Tools. 72 Figura 56 . Scriptcase cria o relatório baseado em um comando SQL. 73 Figura 57 . O Scriptcase Gerador de Relatórios PHP. 73 Figura 58 .Sensores do Arduino. 74 LISTA DE GRÁFICO Gráfico 1 Voltagem e Corrente. 29Gráfico 2 Temperatura e o Ambiente da Temperatura. 30 Gráfico 3 Coletor da Corrente e sua Resistencia. 30 Gráfico 4.Gráfico corrente e Tensão. 32 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Cronograma para acompanhamento das ações. 22 Tabela 2 Documento gerenciamento do projeto. 23 Tabela 3. Equação de Tensão. 31 Tabela 4. Resumo da metodologia aplicada neste trabalho. 51 Tabela 5. Lista os valores que foram destinados para execução do projeto. 59 Tabela 6. Descrição Característica do Ensaio Utilizando o Projeto e o Analisador Fluke. Descrição 61 LISTA DE SIGLAS BR: Brasil; PT: Português. ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica EMI Electromagnetic interference Interferência Eletromagnética HVDC High Voltage Direct Current Linhas de Transmissão de Alta Tensão em Corrente Contínua IEC International Electrotechnical Commission Comissão Eletrotécnica Internacional IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos ONS Operador Nacional do Sistema PCC Point of Common Coupling Ponto De Entrega Concessionária - Consumidor. PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional QEE Qualidade de Energia Elétrica THD Total Harmonic Distortion Distorção Harmônica Total QGBT Quadro Geral De Baixa Tensão CLOUD Computação Em Nuvem AC DC Corrente Alternada/Corrente Contínua SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO. ................................................................................................. 16 1.1 OBJETIVOS E JUSTIFICATIVA. ....................................................................... 17 1.1.1 Objetivo Geral............................................................................................... 17 1.1.2 Objetivo Específico. ..................................................................................... 18 1.2 JUSTIFICATIVA. ................................................................................................ 18 2 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO. ............................................................. 20 2.1 CRONOGRAMA E ATRIBUIÇÃO DE RESPONSABILIDADES. ....................... 22 2.2 FLUXOGRAMA DE FUNCIONAMENTO. ......................................................... 24 2.3 DIAGRAMA EM BLOCOS - HARDWARE TELEMÉTRICO. ............................. 25 2.4 SENSOR DE CORRENTE NÃO INVASIVO SCT-013 ...................................... 28 2.5 MÓDULO SENSOR DE TENSÃO AC 110/220V .............................................. 29 2.6 PLACA DE DESENVOLVIMENTO ESP8266 E COMPATIBILIDADE COM A PLATAFORMA ARDUINO MEGA................................................................................ 33 2.7 ARDUINO MEGA. ............................................................................................. 34 2.8 MÓDULO WIRELESS ESP8266. ...................................................................... 38 2.9 ESPECTRO E MONTAGEM ............................................................................. 41 2.10 FONTE DE ALIMENTAÇÃO .......................................................................... 45 2.11 ORIGEM E ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE ........................................... 46 2.11.1 Usando O Bancos De Dados. ..................................................................... 47 2.11.2 Phpmyadmin, usando o XAMPP, utilize a url http://localhost/phpmyadmin. ........ ....................................................................................................................... 48 3 MÉTODO DE PESQUISA E DETALHES DO PROJETO ................................. 50 3.1 NORMAS TÉCNICAS PARA ESPECIFICAÇÃO .............................................. 51 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS DA PRIMEIRA FASE (2018).......................... 53 4.1 TESTE DO FUNCIONAMENTO DO SISTEMA. ............................................... 56 4.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS DA SEGUNDA FASE (2019 – FINALIIZAÇÃO) .. ........................................................................................................................... 59 4.3 INVESTIMENTOS DEDICADOS AO PROJETO. ............................................. 59 4.4 PROBLEMAS DE COMUNICAÇÃO. ................................................................ 60 4.4.1 Ensaios em Ambiente Real com o Projeto Telemétrico. .......................... 60 4.4.2 Análise Final dos Resultados. .................................................................... 62 4.4.3 Acesso a uma página web .......................................................................... 67 4.4.4 Tabela no HTML ............................................................................................ 69 4.4.5 Monitor Formulários no HTML ................................................................... 70 4.4.6 GERADOR DE RELATÓRIOS EM PHP ....................................................... 73 5 CONCLUSÃO ................................................................................................... 75 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 76 7 APÊNDICE ........................................................................................................ 79 7.1 EXPLANAÇÃO DO PROGRAMA ..................................................................... 79 8 ANEXOS ........................................................................................................... 87 8.1 DATASHEET RESUMIDO DO ARDUINO MEGA 2560 .................................... 87 8.2 OPTOCOUPLER, PHOTOTRANSISTOR OUTPUT, WITH BASE CONNECTION .................................................................................................. 93 16 1 INTRODUÇÃO. A energia elétrica é essencial para a raça humana, através dela o dia a dia absorveu grandes facilidades. O ser humano alcançou um patamar único e tecnológico, modernizou a indústria que passou de linhas de produção mecanizada para processos automatizados com uma otimização significativa das linhas de produção aumentando lucros e resultados. Comércios, hospitais, bancos, ruas, bairros, cidades, países, todo um planeta é alimentado por ela, proporcionando assim, qualidade de vida. Em contra partida, isso provocou uma dependência ainda maior da geração e consumo de energia, portanto, se tornou um alicerce que não pode desmoronar. Sendo assim, dentro dessa magnitude, nota-se a importância da energia elétrica e a evolução de sua aplicação ao longo dos anos. Os princípios fundamentais para o seu funcionamento, se consiste em: geração, distribuição e transmissão. [1]. A sociedade nos dias atuais depende totalmente da energia elétrica, essa dependência acabou provocando nos últimos tempos uma preocupação sobre a eficiência energética e o consumo racional por parte dos usuários, dessa forma despertando uma consciência na população em geral, que não existia anos atrás. Em busca da eficiência energética e buscando minimizar o consumo, apareceram lâmpadas em led, geladeiras e máquinas de ar condicionado “Inverter”1, que possuem consumo da metade da potência de equipamentos similares antigos. As residências se tornaram cada vez mais dependentes da energia elétrica para prover mais conforto e automação, aquecimento elétrico, áudio e vídeo, porém, tornando-se uma despesa cada dia mais recorrente e um custo mais elevado. Todo esse consumo de energia elétrica é medido por equipamentos denominados medidores de consumo de energia, sendo eles eletromecânico ou eletrônico. Antigamente só existia o medidor de energia eletromecânico que usa a indução magnética gerada para rodar o disco de contagem a uma determinada carga assim realizando a medição. O eletrônico possui uma complexidade maior, podendo ser utilizado para realizar a medição sem a necessidade de estarno local, tudo por acesso remoto. [2]. Dentro disso, esses equipamentos possuem uma aferição da 1 A tecnologia faz com que o compressor nunca precise ser desligado completamente e, desta forma, não ocorrem picos de voltagem. É como o próprio nome já diz, ele inverte a frequência que controla a velocidade de compressão do ar. 17 exatidão de suas medidas, entretanto os usuários não possuem informações de fácil acesso e entendimento para realizar validação sobre os picos de consumo ou relatórios gerenciais. Sendo assim, dentro desse contexto, a finalidade deste trabalho é conscientizar que o projeto Telemétrico pode ajudar o usuário do sistema no consumo consciente de energia elétrica, podendo, portanto, obter informações importantes sobre horários, picos e uso de equipamento que mais consomem energia. Dessa forma, fica possível administrar o custo financeiro e reduzir o consumo gerado. Cabe saber, se a conscientização deste estudo poderá agregar economia ao consumidor, considerando-se o investimento a ser aplicado para obter o projeto telemétrico funcionando em uma residência? No capítulo 2 poderá ser visualizado o detalhamento e estrutura do sistema e funcionamento do projeto Telemétrico e seus componentes. O capítulo 3 apresenta o método de estudo realizado. Já no capítulo 4 pode-se conhecer os resultados obtidos tanto da primeira fase do projeto (ano 2018) quanto da fase atual, com seus aprimoramentos e recursos. 1.1 OBJETIVOS E JUSTIFICATIVA. O objetivo deste projeto é monitorar em tempo real o consumo de energia elétrica, buscando deixar as informações mais acessíveis ao usuário, permitindo assim, que se obtenha um fácil entendimento e possibilitar, portanto, uma tomada de decisão baseada em fatos reais, concretos e relevantes. 1.1.1 Objetivo Geral. A criação de um equipamento para leituras das grandezas básicas de sinais e de consumo de energia elétrica de um equipamento cujos valores estarão disponíveis ao usuário em interface online, através de navegador Web Browser. 18 1.1.2 Objetivo Específico. O objetivo específico nessa fase do projeto é o desenvolvimento de um dispositivo para medição de corrente alternada e tensão, para que possa verificar em tempo real o consumo elétrico residencial. Incialmente será desenvolvido um equipamento com um microprocessador Arduino Mega, que mostre no visor em tempo real e envie as informações pela rede ethernet de forma que essas informações serão inseridas num banco de dados MySQL para posterior pesquisa para relatórios gerenciais, podendo: ➢ Adquirir, armazenar e permitir a visualização dos valores de tensão, corrente, potência ativa instantânea e consumo de energia elétrica; ➢ Permitir fácil conexão ao padrão de medição residencial (ou outra carga), critério de ‘plug-and-play’2 ➢ Ter um aplicativo com interface intuitiva em plataforma web browser; ➢ Possuir precisão equiparada a instrumentos comerciais, critério de acuracidade; ➢ Possuir armazenamento das informações coletadas em banco de dados MySQL; ➢ Deve ainda permitir a inserção ou modificação do sistema sem custos significativos, agregando assim novas funções; ➢ Deve propiciar se possível, na sua construção, ideias e conhecimentos iniciais para desenvolvimento de um produto ou serviço comercial, em hardware mais robusto, simples e viável comercialmente. 1.2 JUSTIFICATIVA. O consumidor tem (ou deveria ter) o direito de saber exatamente o que acontece em termos de consumo de energia em sua residência (ou aparelhos). Além do viés ético e econômico da transparência, há questões como de identificar anormalidades nas instalações elétricas (fugas, perdas, falhas), [3] especialmente quando o usuário não se encontra no local (em horário de trabalho, férias, etc.). 2 Plug and play é uma das expressões da língua inglesa muito usada na informática que significa “ligar e usar”. 19 É conhecido que já existem características parecidas na transmissão e distribuição de energia, com monitoramento em tempo real de seus componentes e possibilitando gerenciamento remoto, porém, esse projeto será apresentado especificamente para medição e análise em tempo real, mas esclarecendo que pode ser implementado formas de controle de energia, já que é um produto com tecnologia baseada em software livre e estrutura em microcontrolador. [4]. Portanto, o projeto Telemétrico conectado no QGBT “Quadro Geral de Baixa Tensão”, poderá saber em tempo real o consumo e assim proporcionar ao mesmo uma oportunidade de controle e economia, com um equipamento conectado a uma rede ethernet. 20 2 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO. Dados oficiais da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) [2].E do Ministério de Minas e Energia (MME) [1] indicam que o consumo nacional residencial de energia elétrica já era próximo a 30% do total gerado (ANEEL, 2016) [5], e mesmo tendo havido uma queda nesse percentual em meados de 2015 o consumo por esse grupo consumidor era próximo a 22% (MME, 2015) [6]. Dados da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) [5] também mostram um crescimento médio próximo a 2,5% a.a. (EPE, 2017) [5] mesmo somando-se vários períodos de decrescimento e perdas econômicas. Entretanto, a solução para o crescimento do consumo não reside apenas no crescimento da geração, mesmo este sendo necessário e estratégico. Segundo a Associação Brasileira das Empresas de Serviços de Conservação de Energia (Abesco) [7]cerca de R$ 12,6 bilhões é o saldo negativo do desperdício de energia elétrica no Brasil, sendo que a principal fatia, em torno de R$ 5,51 bilhões, é do tipo de consumidor residencial (ABESCO, 2015; CUNHA, 2015) [7]. São estimadas perdas por desperdício de 460 mil GWh em quatro anos, suficientes para suprir a demanda do país em um ano”. É então perceptível que ações junto aos consumidores, especialmente aos pequenos, poderão vir a ter contribuição significativa, tanto na economia como na expansão dos serviços de fornecimento de energia elétrica. Também algumas hipóteses podem ser levantadas de que pode haver carência de ações políticas, mudanças de hábitos de consumo e de instrumentação e tecnologias acessíveis que permitiriam auxiliar nessa redução do desperdício. As primeiras hipóteses não são tratadas aqui. O novo padrão tarifário residencial (Tarifa Branca) disponível desde janeiro de 2018 (ANEEL, 2017) [1] agrega ainda mais importância de monitoramento de consumo por parte do cliente. Focando na questão de instrumentação e tecnologias uma opção seria de medidores inteligentes. Ao pesquisar sobre o assunto nota-se que já é uma pauta estudada e que houve algumas iniciativas, inclusive por parte das distribuidoras e concessionárias de energia elétrica, mas pelo que se nota em alguns artigos (HAYASHI, 2018; NUWER, 2015) [3] ao que parece, o foco não é pela transparência dos dados em tempo real nas residências, mas para controle de tarifação dos usuários. Há instrumentos no mercado especialmente focados nas opções por Tarifa Branca e Geração Distribuída, mas quase nenhum produto acessível ao consumidor que lhe permita apenas 21 monitorar seu consumo, sendo o caso mais próximo uma iniciativa AES Eletropaulo e WEG. Eletropaulo, que passou a se chamar Enel Distribuição de energia em São Paulo, depois de ser adquirida pelo grupo italiano. As lojas da distribuidora, site, canais digitais, frota e uniformes serão alinhados à marca corporativa global da Enel. [8] A questão da instrumentação também encontra um solo fértil de pesquisa e desenvolvimento em medidores do tipo bidirecionais, necessários em projetos de cogeração e geração distribuída, especialmente os mais próximos da realidade de clientes residenciais, como a geração fotovoltaica. Analisando o mercado de consumo de energiaelétrica e observando como as operadoras elaboram as contas, optou-se pelo desenvolvimento deste presente projeto Telemétrico, a fim de orientar e fornecer opções de controle e monitoramento do consumo responsável. A (Figura 1), demonstra o diagrama de funcionamento do projeto: Figura 1. Funcionamento de projeto Fonte: Autoria própria. Dentro dessa configuração, espera-se apresentar valores consistentes para acompanhamento do consumo. 22 2.1 CRONOGRAMA E ATRIBUIÇÃO DE RESPONSABILIDADES. A execução do projeto foi planejada em cronograma para acompanhamento das ações, monitoramento dos prazos e atribuição de responsabilidades. Tabela 1 Cronograma para acompanhamento das ações. Fonte: Autoria própria. 23 Tabela 2 Documento gerenciamento do projeto. Fonte: Autoria própria. 24 2.2 FLUXOGRAMA DE FUNCIONAMENTO. Usa-se uma fonte AC/DC para alimentar o Arduino Mega, que por capta os sensores de tensão e corrente, mostra os resultados no display e enviando ao ESP8266 internet wireless. Figura 2 Demonstração dos sensores, ESP8266, Fonte e Display do Arduino Mega. Fonte: Autoria própria. 25 2.3 DIAGRAMA EM BLOCOS - HARDWARE TELEMÉTRICO. Figura 3.Fluxograma Arduino Funcionamento. Fonte: Autoria própria 26 Figura 4 .Fluxograma Arduino Funcionamento. Fonte: Autoria própria. 27 Figura 5.Esquema de Conexão Rede Interna Fonte: Autoria própria. 28 2.4 SENSOR DE CORRENTE NÃO INVASIVO SCT-013 O SCT-013 sensor de corrente é bastante versátil e tem como principal vantagem o detalhe de não precisar de contato elétrico com o circuito para realizar medição da corrente elétrica alternada QDG. Portanto, não há necessidade em abrir o circuito para ligá-lo em série com a carga, podendo apenas “abraçar” um dos fios ligados ao equipamento a ser monitorado. O Sensor de Corrente SCT013 é um componente eletrônico desenvolvido para aplicação em diversos circuitos elétricos. Por meio do Arduino, AVR, PIC, Raspberry PI, ou outras plataformas de prototipagem é uma opção de qualidade e eficiência quando se fala em medir correntes de até 100A sem intervenção invasiva no alimentador a ser medido. [3] Através do Sensor de Corrente SCT013 é possível a criação de sistemas de medição e monitoramento para correntes elétricas. Para conexão e usabilidade do Sensor de Corrente SCT013, o mesmo possui dois fios que saem do sensor e estão ligados diretamente à um plug P2 que pode ser facilmente retirado e utilizado de forma direta no projeto (Figura 6). Figura 6. Sensor De Corrente Não Invasivo 100a Sct-013 Para Arduino. Fonte: https://uploads.filipeflop.com/2017/07/1-34.jpg 29 2.5 MÓDULO SENSOR DE TENSÃO AC 110/220V O Sensor de Tensão AC (Figura 7) é um módulo eletrônico desenvolvido capaz de detectar tensões AC 127V/220V por meio de opto-acopladores que também proporcionam segurança contra descargas elétricas no microcontrolador, o sensor de tensão AC através da variação de tensão de entrada realiza a medição da tensão instantânea alimentando o microcontrolador com essas informações até mesmo na falta de energia. O sensor de tensão AC também pode ser utilizado como voltímetro (medidor de tensão AC) em projetos eletrônicos, de forma a monitorar a tensão, a inserção de novas ferramentas e a aplicação de atribuições inerentes ao projeto, chegando assim, no objetivo principal que é a implantação do Telemétrico para auxiliar o usuário e absorver conhecimento da significância na obtenção dos dados de leitura para o seu consumo em tempo real. Os (Gráficos 1,2 e 3) mostra as curvas de temperaturas, volts e corrente. Gráfico 1 Voltagem e Corrente. Fonte: datasheet optoacoplador. 30 Gráfico 2 Temperatura e o Ambiente da Temperatura. Fonte: datasheet optoacoplador. Gráfico 3 Coletor da Corrente e sua Resistencia. Fonte: datasheet optoacoplador. O sensor de tensão AC utiliza a tecnologia com opto acopladores que sofre alterações nas suas medições de acordo com a variação de temperatura ambiente, as (Figura 7). retiradas no datasheet do produto (anexado no item 8.2) demonstram essa variação de valores medidos de tensão e corrente de acordo com a variação de temperatura ambiente. Outra característica do sensor de tensão devido sua construção não possibilitar verificar a defasagem de corrente (i) e tensão (v). Esse tipo de sensor foi escolhido devido ao tipo de medição que a ser realizada para possibilitar essa tolerância de variação dos dados coletados. 31 Figura 7. Sensor De Tensão Ac 127v/220v Automação Arduino. Fonte: https://http2.mlstatic.com/sensor-de-tenso-ac-127v220v-automaco-arduino-esp8266- D_NQ_NP_256905-MLB25077479591_092016-F.webp É importante salientar que este projeto tem fins didáticos. Nenhuma homologação ou certificado de calibração será requerido do sistema aqui apresentado. Ainda assim, para aplicações comerciais (e seguras) uma série de normas (validadas por ensaios de homologação e calibração) devem ser aplicadas. Conforme item 3.1. [9]. Abaixo, na Tabela 3 a equação de Tensão e corrente alternada nas formas utilizadas: Tabela 3. Equação de Tensão. Fonte. [10]. 32 Imagem de corrente e tensão em função do tempo Gráfico 4. Gráfico 4.Gráfico corrente e Tensão. Fonte: Autoria própria. Portanto, considerando as percas de defasagem e corrente nula pode-se usar os valores obtidos pelos sensores, para calcular a potência aparente. Fórmula de cálculo de Potência no projeto S= V. I O cálculo da potência ativa ficou um pouco distante deste projeto devido aos efeitos indutivos e capacitivos que não são verificados unitariamente em cada carga, conseguindo apenas analisar o ciclo da fase e corrente unificados em apenas um valor e não os diversos comportamentos das cargas no decorrer do tempo, o objetivo principal do equipamento consiste em uma potência aparente (VA). [10] Abaixo na (Figura 8). o desenho do triângulo das potências, através dessa interpretação consegue-se entender como cada potência é calculada até chegar aos valores, se tiver dois resultados de qualquer dos elementos: 33 Figura 8.Triangulo de potencias. Fonte: Autoria própria. 2.6 PLACA DE DESENVOLVIMENTO ESP8266 E COMPATIBILIDADE COM A PLATAFORMA ARDUINO MEGA. O Arduino consiste em uma plataforma de prototipagem em eletrônica, elaborado por Massimo Banzi e David Cuartielles 3 em 2005 na Itália, e tem como objetivo facilitar o desenvolvimento de projetos, desde os mais simples aos mais complexos. Com esta plataforma é possível controlar diversos sensores, motores, leds, dentre vários outros componentes eletrônicos. [11]. Um ponto forte sobre o Arduino, é que todo material disponibilizado pelo fabricante, como a IDE de desenvolvimento, bibliotecas e até mesmo o projeto eletrônico das placas são open-source, ou seja, é permitida a utilização e reprodução sem restrição sobre os direitos autorais dos idealizadores do projeto. Porém o nome Arduino, logotipo e o design gráfico de suas placas são registrados e protegidos por direitos autorais. 3 Desenvolvedor • Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e David Mellis./ Baseado no Processing, de Casey Reas e Ben Fry./Plataforma C/C++/Lançamento 2005/ Versão estável 1.8.2 (22 de março de 2017; há 11 meses )/ Versão em teste 1.5.8 (10 de janeiro de 2014; há 4 anos) / Linguagem Java /Sistema operacional Microsoft Windows, Linux, Mac OS X /Gênero(s) Ambiente de desenvolvimento integrado Licença • Software em LGPL ou GPL / Página oficial http://www.arduino.cc/en/ (em inglês) 34O Projeto Arduino une Hardware e Software, e resulta em uma plataforma de fácil desenvolvimento utilizando um microcontrolador. [4] 2.7 ARDUINO MEGA. O Arduino Mega, assim como qualquer outro Arduino é baseado no microcontrolador, no caso do Arduino Mega temos esse grande chip sendo um microcontrolador (Figura 9). [12] Figura 9. Microcontrolador ATmega 2560. Fonte: https://www.microchip.com/_images/ics/medium-ATmega2560-TQFP-100.png ANEXO ITEM 8.1. DATASHEET RESUMIDO DO ARDUINO MEGA 2560 Esse é o microcontrolador do Arduino Mega, é interessante se comparado com outros Arduino, pois apesar de também possuir seus microcontroladores, o Arduino Uno tem um micro controlador ATmega 328, enquanto o Arduino Mega ATmega 2560, sendo assim, tem-se que a velocidade desse microcontrolador é exatamente igual, trabalha com 16 mega Hz, apesar da velocidade ser a mesma, existem outras características que tornam o Arduino Mega interessante, como por exemplo, a memória o Arduino Mega que possui 8 kbytes de memória para gravação dos programas dos skates, já o Arduino ONU possui apenas 2 kbytes, ou seja, o Mega tem quatro vezes mais, então se em casos de programas mais complexos com mais comandos e programas maiores, portanto, o Arduino mega é uma ótima solução para o projeto Telemétrico. A memória de funcionamento do programa também é maior no Mega tem 256 bytes de memória, já no Arduino Uno possui apenas 32 bytes, e a https://www.microchip.com/_images/ics/medium-ATmega2560-TQFP-100.png 35 memória pro também é maior no Mega temos 4 kbytes de memória, sendo que no Uno tem 1 kbytes, além de mais memória no Arduino Mega, também tem algumas vantagens. [4]. Colocando lado a lado encontra-se as portas do Arduino Uno exatamente iguais as primeiras portas do Arduino Mega, as portas digitais do Arduino Uno começam na zero até às 13 no Arduino Mega, nas mesmas posições 0 até a 13 as portas analógicas do Arduino Uno começa na porta 5 e para a esquerda inclusive as portas de alimentação são as mesmas que as do Arduino Mega. Porém, a direita temos mais portas e mais conexões no Arduino Mega (Figura 10). ANEXO ITEM 8.1. DATASHEET RESUMIDO DO ARDUINO MEGA 2560. Figura 10. Arduino Mega Fonte: http://somanybits.com/images/forum/Pin%20Arduino%20Mega%202660.jpg ANEXO ITEM 8.1. DATASHEET RESUMIDO DO ARDUINO MEGA 2560 http://somanybits.com/images/forum/Pin%20Arduino%20Mega%202660.jpg 36 São codificadas por cores: - Verde: tem a mesma função e posição que o Arduino UNO R3; - Vermelho: são diferenças, onde a funcionalidade foi movida no Mega2560 em comparação com o UNO. Em geral, isso significa que a UNO colocou várias funções em um pino e estas moveram-se para pinos separados no Mega. - Azul: é para diferenças devido à funcionalidade adicional (Figuras dos pinos extras 11,12,13, e 14). Figura 11. Pinagem de funcionalidade no Arduino Mega2560. 37 Figura 12. Pinagem de funcionalidade no Arduino Mega2560. Figura 13. Pinagem de funcionalidade no Arduino Mega2560. 38 Figura 14. Pinagem de funcionalidade no Arduino Mega2560. 2.8 MÓDULO WIRELESS ESP8266. O Módulo Wireless ESP8266 pode se conectar com Arduino Mega, nas redes wireless 802.11 b/g/n, enviando e recebendo dados nos modos AP (Access Point/Ponto de acesso) ou STA (Station), e neste estudo Telemétrico, esse é o principal componente. (Figura 15). [13] Figura 15. Módulo Wireless ESP8266 Fonte: https://uploads.filipeflop.com/2015/06/02.png https://uploads.filipeflop.com/2015/06/02.png 39 Esse módulo se comunica com o microcontrolador utilizando interface serial e seu firmware pode ser atualizado, se necessário. Possui ainda 2 pinos GPIO (General Purpose Input Output, ou Entrada e Saída de uso geral), permitindo que o módulo seja programado diretamente e a GPIO acionada sem a necessidade de uso de um microcontrolador. Outras características do Módulo Wireless ESP8266: • Conexão a redes padrão 802.11 B/G/N • Alcance aproximado: 91 metros • Tensão de operação: 3.3 VDC • Comunicação serial: pinos TX e RX • Modos de operação: Cliente, Access Point, Cliente+Access Point • Modos de segurança wireless: OPEN / WEP / WPA _ PSK / WPA2 _PSK / WPA _ WPA2 _ PSK. • Suporta comunicação TCP e UDP, com até 5 conexões simultâneas O módulo possui antena embutida e um conector de 8 pinos, além dos leds indicadores de funcionamento (vermelho) e comunicação (azul), exemplo do projeto deste projeto (Figura 16). Figura 16. Projeto especial ao projeto telemétrico. Fonte: Autoria própria. 40 SP8266 tem uma CPU que operam 80 Mhz com possibilidade de operarem até em 160 Mhz. Para efeito comparativo um processador Arduino Uno opera em 16 Mhz. Arquitetura do SP8266 é uma arquitetura RISC de 32 bits e um Arduino Uno também utiliza a arquitetura RISC, mas, com apenas 8 bits, o SP8266 tem 32 bits de memória Ram para instruções e também sendo superior a capacidade de memória do Arduino Uno. Como espaço do SP8266 era um problema dentro da caixa onde estaria acondicionando os equipamentos, foi realizado o desenvolvimento de uma placa de circuito impresso para instalação do SP8266 minimizando o circuito e proporcionando uma melhor atuação do componente dentro da estrutura do projeto em conjunto com a placa Shield do Arduino Mega (Figura 17). A figura a seguir mostra a parte de desenvolvimento do cartão de circuito impresso para instalação do SP8266 no software Proteus (Figura 18 e 19). Figura 17. Shield para melhorar a performance do sp8266. Fonte: Autoria própria. 41 Figura 18. Shield elaborada no Protheus para SP8266. Fonte: Autoria própria. Figura 19. Shield para melhorar a performance do SP8266. Fonte: Autoria própria. 2.9 ESPECTRO E MONTAGEM Como a tensão de offset e 2,5V, todas as vezes que o valor lido na porta analógica for próximo de 512, a onda de tensão ou corrente está passando pelo zero. A diferença dos tempos que as ondas passam pelos “seus” zeros indica o atraso ou adiantamento entre os sinais. Esta diferença será o ângulo de defasagem. Frequência da rede: 60 Hz Período: 1/60: 16,6 ms A cada 16 ms (16000 us) o sinal avança 360 graus. 42 Ex: Se a defasagem entre os sinais for de 900 us, o ângulo equivalente é de próximo a. 208ms, por exemplo. Os sensores SCT-013-000 podem medir valores de 0 até 100A de corrente alternada. Em sua saída terá valores entre 0 a 50 mA proporcionais ao valor de corrente percorrido no condutor principal. Como Arduino Mega suporta correntes de I/O máxima de 40 mA, é necessário montar um circuito auxiliar para acoplar os sensores e assim poder converter os valores de correntes gerado pelo sensor em valores de tensão que possa ser lido pelo sistema. Abaixo o detalhamento dos componentes que envolvem o projeto Telemétrico: • 1 x Placa Arduino Mega • 1 x Placa Shield • 1 x Display de 20X4 • 1 x Fonte Padrão 9 Volts • 2 x Sensor de corrente SCT-013 100 • 2 x Sensor De Tensão • 4 x Resistores de 10kΩ • 2 x Resistor de 330Ω • 2 x Capacitor eletrolítico de 100uF • 1 x Conjunto de Jumpers • 1 x Placa Protoboards • 1 x Caixa Patola Media • 2 x conectores P2 Femea • 1 x Placa Comunicação Wireless ESP8266 O projeto composto com os sensores SCT-013 em conjunto com o Arduino Mega, além de um aparelho que terá sua corrente elétrica medida, neste caso, a entrada de energia residencial do escritório Infinity Telecom, situado no Endereço: R. Cônego Ladeira, 397 - Vila Mazzei, São Paulo - SP, 02309-080, no período de 06 de Abril de 2019 até a data atual. Assim poderá medir a corrente elétrica de outros dispositivos. O resistor de 330Ω foi dimensionado por meio de uma sequência de cálculoscom o propósito de aumentar a precisão das medidas deste sensor de corrente. Os cálculos poderão ser vistos na sessão “Entendendo o SCT-013”. 43 O sensor é calibrado para medir a corrente alternada máxima de 100A AC. Esse valor de 100A é o valor RMS, que também é chamado de valor eficaz. O valor RMS é igual ao máximo valor que a corrente pode alcançar (corrente de pico) dividido pela raiz quadrada. (Figura 20). Figura 20. Esquema do circuito. Fonte. https://i0.wp.com/portal.vidadesilicio.com.br/wp-content/uploads/2017/10/sensor3- 1.png?w=599&ssl=1 Então, a corrente de pico máxima medida é de 141.4A: i (medido) = √2 * i (rms) = 1,414 * 100A = 141,4 A Sabendo que para uma corrente de 100A no primário, ele produz 50mA no secundário, é só jogar na fórmula de relação de transformação. [10]. O resultado será: N1 / N2 = I2 / I1 I1 = corrente no primário (corrente a ser medida); I2 = corrente no secundário; N1 = número de votas do primário (no caso deste sensor, N1 será igual a 1); N2 = número de voltas do secundário. N2 = 2000 espiras. 44 A corrente na saída do sensor é inversamente proporcional ao número de voltas (aqui é 2000): i (sensor) = i (medido) / número de espiras = 141,4A / 2000 = 0,0707A Terá na saída do sensor o sinal da corrente induzida semelhante ao da (Figura 21). Figura 21. Senoide de pico. Fonte: Autoria própria Sinal na saída do SCT013 para um valor de corrente eficaz de 100A. O Arduino só realiza, em seus pinos de entrada analógica, a leitura de níveis de tensão (entre 0V a 5V). Dessa forma, é necessário converter o sinal de corrente alternada do SCT-013 para um valor de tensão que seja legível para o Arduino. Como a corrente alterna em torno de zero, é deve-se escolher um resistor que apresente na saída um valor máximo de tensão de 2,5V. R(carga) = U(sensor)/I(sensor) = 2,5V / 0,0707A = 35,4Ω O resistor de carga ideal é de 35,4Ω para uma corrente de até 100A, nesse caso usa-se um resistor de 33Ω. Dessa forma tem o seguinte sinal de tensão sobre o resistor de carga: (Figura 22). 45 Figura 22. Sinal senoide. Fonte: Autoria própria. 2.10 FONTE DE ALIMENTAÇÃO O projeto faz medições de sinais de grandezas elétricas, mas para isso ser possível precisa ser alimentado com a energia necessária para o seu funcionamento. A vantagem do baixo consumo de energia se perde um pouco com o acréscimo dos módulos de display LiquidCrystal_PCF8574.h, que são os itens de maior consumo. O tráfego contínuo de sinais Wi-Fi em curtos espaços de tempo também contribui para menor autonomia. A melhor solução para um caso como este é utilizar baterias recarregáveis em paralelo com uma fonte principal de energia (como a própria sendo medida), atuando em sua falta. Mas para os propósitos deste projeto, apenas a própria rede elétrica disponível será utilizada. Os níveis corretos de tensão e corrente de cada módulo precisam ser supridos, pois, há necessidade tanto de 5,0 como de 3,3 volts, o que requer reguladores de tensão. A tensão da rede local é entre 110/220 volts e ao mesmo tempo do tipo alternada, precisando ser convertida. A confiabilidade da alimentação dos módulos é crucial ao bom funcionamento e segurança do projeto. 46 2.11 ORIGEM E ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE No ano de 1994, na Suécia dois programadores um Michael Widenius e o David Axmark, conhecido pela comunidade resolveram criar um modelo gratuito de banco de dados baseado no modelo relacional. Surge então o MySQL, imagem dos criadores na (Figura 23). [14]. Figura 23. Michael Widenius (também conhecido por Monty Widenius), David Axmark , nascido em 28 de maio de 1962 na Suécia , é um dos fundadores da MySQL AB Um projeto de programadores dentro MySQL, ganhou notoriedade pela simplicidade e por ser gratuito, baseado no modelo relacional compatível com tudo mais e além de grátis o projeto era totalmente livre, tanto que logo foi registrado como GPL. As licenças GPL são utilizadas por projetos de software livre e de código aberto podendo mexer no código-fonte, gerar redistribuições, então mais do que gratuito o MySQL é livre. O projeto surgiu 94 e foi se consolidando no decorrer dos anos até que se tornou um dos maiores e melhores programas. Em 2007 uma empresa com recursos financeiros comprou essa empresa, sendo a conhecida Sun Microsystems. (Figura 24). 47 Figura 24. Sun Microsystems, empresa que comprou a MySQL. A Sun Microsystems foi a empresa que criou e nasceu a linguagem Java, então a Sun Microsystems em 2007 comprou o grupo MySQL, em 2009 ela foi comprada deixou de existir e agora pertence a ORACLE. (Figura 25). Figura 25. Oracle Corporation é uma empresa multinacional de tecnologia e informática dos Estados Unidos, especializada no desenvolvimento e comercialização de hardware e softwares e de banco de dados. 2.11.1 Usando O Bancos De Dados. SQL é uma linguagem de consulta de informações, assim como diz o nome, de origem inglesa, que significa Linguagem de Consulta Estruturada. Foi inicialmente desenvolvida pela empresa IBM e tornou-se uma linguagem comercial para consultas em bancos de dados, com a popularidade que teve a empresa naquela época. Daí, foi necessária uma padronização da linguagem e foi, ela, organizada pelas associações internacionais ANSI38 e ISO, equivalentes a órgãos brasileiros, como INMETRO e ABNT, citados aqui apenas para fins de comparação [15]. O phpMyAdmin é um sistema de gerenciamento de bases de dados online, ou seja, você utiliza seu navegador para criar, apagar e editar tabelas e bancos de dados no servidor MySQL. [16] É interessante utilizar este sistema, pois será gerenciado por uma interface simples, intuitiva, e, relativamente fácil de se trabalhar. 48 O melhor é que o software aqui utilizado como servidor o XAMPP é um pacote que instala o Apache, o MySQL e o PHP na máquina, assim ela já estará pronta para desenvolver sites usando PHP. Para este projete será utilizado o ambiente XAMPP como ambiente de experimentação. Claro que toda a solução aqui apresentada é válida para outras instalações além do XAMPP. Desenvolveu-se um banco de dados para dar suporte ao gerenciamento de componentes, partes e peças utilizadas em projetos de circuitos eletrônicos. Este banco de dados é utilizado no dia a dia do Caderno de Laboratório, e pode ser utilizado em pequenas/médias empresas e mesmo para laboratórios individuais. Como o código fonte integral, a particularização para a sua situação específica é bem simples. Durante o processo de desenvolvimento utilizaremos o XAMPP instalado localmente na máquina de trabalho, mas o processo de migração dos dados para o servidor de operação (que foi implementado em um Arduino Mega). 2.11.2 Phpmyadmin, usando o XAMPP, utilize a url http://localhost/phpmyadmin. Figura 26. Banco de dados Myadmim, Fonte: Autoria própria. 49 PHPMyAdmin é um aplicativo Web desenvolvido na linguagem de programação PHP, para administrar banco de dados e tem como matriz o SGBD MySQL. Foi criado pelo desenvolvedor e consultor de TI alemão Tobias Ratschiller4. Ele criou ferramentas similares com outros SGBDs como matriz de programação, como o PHPMSAdmin (Figura 26), ferramenta que utiliza como matriz de programação o código da ferramenta SQL Server, da Microsoft, e o PHPPgAdmin, cuja matriz de programação é o SGBD Postgre. Assim como o MySQL, tanto no modo servidor quanto no modo cliente, o PHPMyAdmin também é capaz de criar sistemas de bancos de dados, incluir, excluir, consultar e editar tabelas e relacionamentos entre elas. O que torna esta ferramenta popular é a possibilidade de fazer tudo isso graficamente. 4 Tobias Ratschiller (nascido em 16 de maiode 1979 em Schlanders ) é um empreendedor do sul do Tirol e o desenvolvedor original da ferramenta de gerenciamento de banco de dados phpMyAdmin e do servidor de anúncios phpAds, que mais tarde se tornou OpenX . Ele também é co- autor do primeiro livro importante do PHP 4, Web Application Development with PHP , em 1999 50 3 MÉTODO DE PESQUISA E DETALHES DO PROJETO O propósito deste trabalho é realizar um estudo descritivo sobre o projeto Telemétrico com o intuito de mitigar o impacto financeiro do consumo de energia elétrica no orçamento do usuário do sistema. A intenção é contribuir com o consumidor para que o mesmo possa ter um acesso prático e visual das informações de seu consumo. A obtenção dos resultados deste estudo foi adquirida através de uma abordagem qualitativa com análise e registro dos dados demonstrados durante a execução do trabalho. O marco inicial do projeto foi o ano de 2018, onde surgiu a ideia básica de realizar um controle telemétrico sobre o consumo de energia elétrica, no entanto, no decorrer da pesquisa, foi possível perceber o quão rico poderia se tornar ao acrescentar formas mais detalhadas e minuciosas de controle e monitoramento. Portanto, o projeto atual reflete resultados tanto da ideia base de controle visual, como também da sua atualização e evolução ao longo desse trajeto, onde pôde-se acrescentar controles e filtros relevantes ao usuário do sistema. Os testes foram realizados no imóvel do escritório Infinity Telecom, situado na rua Cônego Ladeira, 397 - Vila Mazzei, São Paulo - SP, 02309-080, no período entre abril/maio através de equipamentos de medição e monitoramento apropriados, conforme poderá ser visto no discorrer deste trabalho. Para embasamento teórico foram consultadas fontes bibliográficas, pesquisa documental e consultoria técnica, para absorver uma melhor compreensão dos códigos a serem utilizados no sistema, permitindo, portanto, um resultado que pudesse ser fidedigno, funcional e eficaz. O que se buscou neste trabalho foi conseguir desenvolvê-lo conforme os objetivos inicialmente propostos, com ênfase em modularidade e códigos abertos. Problemas e soluções propostas são citados ao longo do capítulo 2. O diagrama de blocos da (Tabela 4), ilustra as frentes de trabalho 51 Tabela 4. Resumo da metodologia aplicada neste trabalho. Autoria própria. 3.1 NORMAS TÉCNICAS PARA ESPECIFICAÇÃO É importante salientar que este projeto tem fins didáticos. Nenhuma homologação ou certificado de calibração será requerido do sistema aqui apresentado. Ainda assim, para aplicações comerciais (e seguras) uma série de normas (validadas por ensaios de homologação e calibração) devem ser aplicadas. Destaca-se neste trabalho a NBR 14519 (ABNT, 2000) [17] que trata das especificações elétricas e mecânicas de medidores de consumo de energia elétrica mono e polifásicos de estado sólido (ou seja, medidores digitais). Alguns dos dados interessantes dessa norma dizem respeito à presença de uma interface ótica serial assíncrona de transmissão de dados de dez bits (1 start bit, 8 bits de dados, 1 stop bit), numa taxa a partir de 9600 bauds, ou então de uma interface TTL, também serial assíncrona, com caracteres de dez bits reunidos em blocos de oito caracteres (80 bits), transmitidos a partir de 110 bauds. [18]. Nesta comunicação o intervalo de transmissão de blocos consecutivos é dito como de um segundo. A norma trata dos diversos ensaios e dos valores que devem ser obtidos nestes. Outra norma, a NBR 14522 (ABNT, 2000) [9], “Intercâmbio de informações para sistemas de medição de energia elétrica – Padronização”, trata dos protocolos que definem “o padrão de intercâmbio de informações no sistema de medição de energia elétrica, de forma a se alcançar a compatibilidade entre os sistemas e equipamentos de medição de energia elétrica de diferentes procedências”. Em outras palavras, tanto o hardware como o Leituras ESP8266 SCT-013 Sensor de Tensão MySQL Escolha do sensor teste de leituras e correção de erros eventuais. Conexão com Rede Ethernet Wireless Geração Dados de Corrente Elétrica Geração Dados de Tensão Elétrica Banco de Dados para Armazenamento das Informações Coletadas nas Leituras. 52 software desenvolvido precisam ser enviados para testes “às cegas” e comparados com instrumentação homologada, necessitando ser aprovados em cada bateria de testes. Este é, portanto, um resumo do que seria necessário se esse trabalho viesse a desenvolver um medidor de energia homologado e certificado (tanto para análise quanto para tarifação). [9] [17]. 53 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS DA PRIMEIRA FASE (2018). O sensor de corrente e um toroide não invasivo que proporciona sua instalação sem nenhuma abertura e desligue do circuito elétrico para efeito de medição, os pinos P2 proporcionam a conexão dos sensores de corrente localizados em lados opostos da placa de circuitos impresso. As conexões são do tipo pinos header ou conectores KRE, com marcações claras através da serigrafia da placa. É de vital importância que foi tomada na elaboração do projeto o tipo de conectores escolhidos para conexão dos sensores de corrente são mecanicamente diferentes das entradas que são responsáveis pela medição de tensão, evitando assim uma falha de procedimento na instalação e provocando um acidente ou queima do projeto. Portanto, deve se seguir exatamente a ordem mostrada. Considere a vista da (Figura 27) como igual à da vista superior da (Figura 28 e 29). É proibido a abertura da parte inferior do projeto para qualquer tipo de manutenção ou aferição com o mesmo conectado na rede elétrica, pois, existem conexão vivas que podem proporcionar um choque elétrico no operador ou usuário. Figura 27. Shield elaborado no Protheus do sensor de corrente. Fonte: Autoria própria. 54 Figura 28. Shield placa elaborado no Protheus do sensor de corrente. Fonte: Autoria própria. Figura 29. Shield placa vista superior elaborado no Protheus do sensor de corrente. Fonte: Autoria própria. Antes de carregar o programa da web server, é necessário alterar a velocidade de comunicação (baud rate) do módulo, que por padrão está setada em 115200 (firmware versão 0.9.5). Nessa velocidade, a biblioteca Software Serial não é capaz de realizar a comunicação adequadamente, por isso houve a necessidade de alterar a velocidade para 19200, conforme o programa do apêndice (7 GODIGO DO WIFIN WEBSERVER.INO.). 55 No programa foi utilizado a biblioteca SoftwareSerial para efetuar a comunicação com o módulo usando os pinos 2 (RX) e 3 (TX). Assim, podemos utilizar o serial monitor para acompanhar o envio dos comandos ao módulo. Na linha 18 do programa, deve ser substituída as informações de SSID (nome da rede wireless) e SENHA pelas informações da rede à qual o módulo irá se conectar. O primeiro teste de comunicação e medição do projeto Telemétrico foi realizado com sucesso, conforme (Figura 30 e 31). Figura 30. Imagem do monitor sensor 1. Fonte: Autoria própria. Figura 31. Imagem do monitor sensor 2. Fonte: Autoria própria. 56 4.1 TESTE DO FUNCIONAMENTO DO SISTEMA. O sistema gera um bilhete com as informações de tensão, corrente e potência a cada 10 segundos, sendo essas informações armazenadas no banco de dados que fica disponível para consulta e pode ser pesquisada pela interface web browser, Para aferição dos dados obtidos nas medições realizadas no Telemétrico, foi utilizado um instrumento de medição garra amperímetro fabricante Fluke modelo 302+. Pode-se observar durante os testes de ensaio que houve um desvio de aproximadamente +/- 5% dos valores medidos com do instrumento com os valores captados pelo projeto Telemétrico, conforme Figura 32. Figura 32. Testedo projeto com um ventilador (Verificar se Possuímos). Fonte: Autoria própria. Para testes de ensaio o projeto foi conectado em um QGBT “Quadro Geral de Baixa Tensão” bifásico padrão residencial para coleta das informações de consumo, realizando a conexão dos dois sensores de corrente sem nenhuma ação invasiva e a conexão de tensão em paralelo com os disjuntores de proteção das fases e o barramento de neutro. O formato de conexão com os testes de ensaio obtém-se duas entradas em 127 Volts sendo monitorados pelo equipamento. Após a calibração, foram realizados dois ensaios para verificar a veracidade das medidas obtidas pelo projeto, neste ensaio foram utilizadas duas cargas resistivas conhecidas: chuveiro e um forno elétrico. Ver (Figura 33 e 34). 57 Figura 33. O experimento do projeto na entrada da residência. Fonte: Autoria própria. Figura 34. O método de ligação na entrada da residência. Fonte: Autoria própria. Em exemplo de como a tela ficou inicialmente configurada durante os testes de comunicação com os pinos das portas analógicas (A0, A1 E A4). (Figura 35), demonstra como ficam durante as leituras em tempo real quando foi testado em conjunto com o analisador de qualidade de energia (Fluke) (Figura 36). Os valores de tensão foram configurados para serem mostrados, e os valores de corrente. Para melhor visualização não mostra os valores proporcionais uns aos outros. 58 Figura 35. A análise do visor. Fonte: Autoria própria. Figura 36. Compara Medição do Projeto com Instrumento de Medição. Fonte: Autoria própria. Com tudo funcionando perfeitamente do acesso web quanto as calibrações dos sensores. Então pode-se comprovar o funcionamento do sensor SCT-013-000 para o projeto, lembrando que de preferência as correntes devem ser aproximadas à faixa de 50 a 100 (A), para maior exatidão, vide datasheet. A escolha de altas correntes também é proposital para testes e aplicações na entrada de energia de uma residência. 59 4.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS DA SEGUNDA FASE (2019 – FINALIIZAÇÃO) O resultado deste trabalho tem por base os registros visuais e análise dos valores reportados, bem como do comportamento do projeto telemétrico durante os períodos de ensaios. Assim será possível abstrair questões como funcionalidade, coerência de leituras, viabilidade do projeto, possíveis aplicações e melhorias, e se os objetivos foram satisfeitos. 4.3 INVESTIMENTOS DEDICADOS AO PROJETO. As teorias apresentadas neste item trarão todos os embasamentos teóricos abrangentes necessários para compreensão do hardware e software utilizado no trabalho, desde seus funcionamentos básicos como dispositivos até ferramentas utilizadas para sua construção, (Tabela 5). Tabela 5. Lista os valores que foram destinados para execução do projeto. Descrição Quantidade Unidade Valor Individual R$ Valor Total Caixa Patola 1 peça 6,00 6,00 Capacitor Eletrolítico 2 peça 0,25 0,50 Conectores P2 Fêmea 2 peça 0,65 1,30 Conjunto de Jumpers 2 peça 0,75 1,50 Display 20X4 Retro Iluminado 1 peça 35,00 35,00 Fonte de Alimentação 9 Volts 1 peça 15,00 15,00 Arduino Mega 1 peça 65,00 65,00 Placa Montada Circuito Impresso 2 peça 10,40 20,80 Resistor 10k 4 peça 0,25 1,00 Resistor 33k 2 peça 0,30 0,60 Placa Shield Arduino Mega 1 peça 55,00 55,00 Sensor de corrente STC -013 100 A 2 peça 49,90 99,80 60 Modulo Wireless ESP 8266 1 peça 26,99 26,99 Sensor Detecção de Tensão AC 2 peça 17,00 34,00 Garra Jacaré Isolada 4 peça 0,80 3,20 Plug Banana Emborrachado 4 peça 3,00 12,00 Plug Jack Banana Preto/Vermelho 4 peça 2,50 10,00 Total R$ 387,69 Fonte: Autoria própria. Levando em consideração que o roteador não faz parte do projeto, além das outras considerações já apresentadas, e que nos valores estão incluídos frete e lucro dos vendedores, estima-se que é possível ter um projeto com todas as funções aqui incluídas em torno de R$ 200,00. Estimativa esta que não será comprovada aqui. 4.4 PROBLEMAS DE COMUNICAÇÃO. Problema de comunicação encontrado na evolução do projeto Telemétrico, foi no momento que passamos para a fase 2, o problema para realizar o encaminhamento dos bilhetes gerados a cada leitura dos sensores de tensão e corrente, por várias tentativas não foi possível a gravação das informações no MySQL ou pelo menos a geração dessas informações. Isso somente foi solucionado com atualização da biblioteca emonlib.h. Após execução dessa ação, as demais dificuldades foram encontradas conforme evolução do desenvolvimento do projeto, pois não faltava conhecimento apurado na linguagem de programação utilizada. 4.4.1 Ensaios em Ambiente Real com o Projeto Telemétrico. Para este ensaio foi utilizado a mesma carga anterior (ao TCC parte 1). Os instrumentos foram então, ligados ao padrão de medição do domicílio permitindo 61 analisar todo o histórico de consumo durante quatro horas ininterruptas, estando os usuários em suas tarefas normais. Tomou-se o cuidado de também utilizar instrumentação homologada (em paralelo) na coleta de dados de tensão e corrente elétrica. O resumo do ensaio qualitativo será analisado a seguir, a começar pela (Tabela 6). Que descreve as características da medição: (Figura 37). Figura 37 Resumo do ensaio (qualitativo e quantitativo). Fonte: Autoria própria. Tabela 6. Descrição Característica do Ensaio Utilizando o Projeto e o Analisador Fluke. Descrição Fluke 302+ Projeto Telemétrico Tensão Corrente Tensão Corrente Média das Leituras 1 112,39 V 2.3 A 111.35 V 2.55 A Média das Leituras 2 111,59 V 4.2 A 113.25 V 5.81 A Desvio Padrão das Leituras 6,04 5,32 5,54 3,33 Valor Mínimo Lido 112,40 V 0,60 A 113,75 V 0,62 A Valor Máximo Lido 233,50 V 25,97 A 233,22 V 25,31 A Pontos da Amostra 240 356 Pontos Usados para Plotar Gráficos 22 20 Data e Hora do Início da Leitura 13/05/2019 – 16h03min 13/05/2019 – 16h03min Horário do Encerramento do Ensaio 20h18min 21h59min Período para Cada Tomada de Média (aproximado) 64s 60s Fonte: Autoria própria. 62 Nota-se que independentemente do modo como os dados foram tratados internamente, tanto no analisador quanto no projeto Telemétrico, percebeu-se que os períodos de registro de leituras são levemente diferentes entre o sensor Telemétrico e o Fluke 302+. Essa constatação, por si só, impediu um comparativo mais preciso sobre a qualidade do erro presente nas médias. A falta de sincronia e os períodos distintos não permitem que os mesmos dados de entrada de um período coincidam entre si nos respectivos registros (IP do HOST e Fluke302+). A falta de um valor relevante, seja no início ou fim do período compromete toda a média reportada. Ainda assim, dos valores entre máximos e mínimos da (Tabela 6), se pode extrair os seguintes erros de amplitude de medição: ➢ Tensão 1: +/-2% V AC; ➢ Tensão 2: +/-2% V AC; ➢ Corrente 1: 0,02 I AC; ➢ Corrente 2: 0,66 I AC. Outro ponto negativo para a validação é que, o analisador Fluke 302+ leva considerável vantagem ao não depender de perdas de dados de pacotes ou conexão com a internet. Algo a que o sistema utilizando servidor em nuvem pode estar exposto. A desvantagem é que os gráficos do Fluke 302 foram confeccionados manualmente, possibilitando erros visuais e humano. 4.4.2 Análise Final dos Resultados. Após o ajuste dos dados e análises destes, os arquivos foram unidos em imagens e os gráficos comparados. Além dos dados já observados na (Tabela 6), a partir de agora serão mostrados também imagens dos gráficos de Potência elétricas coletados por ambos os sistemas (banco de dados e o projeto). [19] Mesmo que a precisão de validação desejada não tenha sido obtida neste momento, não desqualifica o projetocomo um todo, nem seus resultados. Nas (Figuras 38, 39 e 40) os valores da Potência de Tensão e Corrente gerados: 63 Figura 38. Curva de Potência gerada com os últimos dados, ligando alguns equipamentos. Fonte: Autoria própria. Figura 39. Curva de Potência gerada com os últimos dados, ligando um micro-ondas. Fonte: Autoria própria. 64 Figura 40. Curva de Potência gerada com os últimos dados, ligando um micro-ondas Fonte: Autoria própria. Conforme já percebido, as curvas da Potência obtidas pelo projeto mostraram- se muito eficientes para aplicação, ainda mais levando-se em conta a disparidade do potencial esperado entre ambos os sistemas de medição utilizados. Nas (Figuras 41 e 42) serão mostrados os resultados Potência, Corrente elétrica, mostrados nos gráficos gerados: 65 Figura 41. Curva de Potência gerada com os últimos dados, desligando um micro-ondas. Fonte: Autoria própria. Figura 42. Curva de Potência gerada no Relatório com os últimos banco de dados. Fonte: Autoria própria. Para medição de corrente o Fluke 302+ utiliza um TC tipo alicate com range de 0,5A a 40,0A (com saída de 10mV/A) ou 5,0A a 400,0A (com saída de 1mV/A). A 66 acuracidade indicada pelo fabricante é de 0,015A para um range até 40,0A ou 0,04A para um range de 400,0A. (Figura 43). Figura 43. Para medição de corrente o Fluke 302 Fonte: Autoria própria. Levando-se em consideração que um analisador de qualidade de energia tem aplicação não só superior, mas também diferente da proposta desse trabalho, e que ainda assim os valores registrados pelo projeto são coerentes e aceitáveis diante de um instrumento calibrado e certificado, entende-se que o sistema concebido é satisfatório. Em tempo, o arquivo “csv” do analisador fornece três colunas de valores de medição de cada ponteira (potência, tensão e corrente), constando de valor máxima potência ocorridos no intervalo de cada 10 segundos o Telemétrico envia os dados plotar os gráficos, apenas os valores médios foram utilizados e analisados. Um resumo do que foi citado acima pode ser visualizado na (Figura 44 e 45) a seguir: 67 Figura 44. Tela do maior valor do Telemétrico gerada pelo analisador Potência 1. Fonte: Autoria própria. Figura 45. Tela do maior valor do Telemétrico gerada pelo analisador Potência 2. Fonte: Autoria própria. 4.4.3 Acesso a uma página web Ao acessar uma página web através de um navegador, ele é capaz de interpretar o código HTML e renderizá-lo de forma compreensível para o usuário final, exibindo textos, botões, etc. com as configurações definidas por meio das diversas tags que essa linguagem dispõe. (Figura 46). 68 Figura 46 Página web. Fonte: Autoria própria. A estrutura básica de uma página HTML pode ser vista na Listagem 1, na qual podemos ver as principais tags que são necessárias para que o documento seja corretamente interpretado pelos browsers, Figura (47 e 48). Figura 47 . Principais tags. Fonte: Autoria própria. 69 Figura 48. Ttags do roda pé. Fonte: Autoria própria. 4.4.4 Tabela no HTML Tabelas são elementos utilizados com frequência para exibir dados de forma organizada em linhas e colunas. No HTML, elas são formadas por três tags básicas: tabela, para delimitar a tabela; tr, para indicar as linhas; e td para formar as colunas. A Listagem 3 mostra um exemplo simples de tabela com 3 linhas e uma coluna à esquerda, e seu resultado pode ser visto na Figura (49 e 50). Figura 49 .Home da página. Fonte: Autoria própria. 70 Figura 50 Código home da página. Fonte: Autoria própria. 4.4.5 Monitor Formulários no HTML Formulários são normalmente utilizados para integrar a página HTML a algum processamento no lado servidor. Nesses casos, a página envia dados para uma aplicação (Java, PHP,), que os recebe, trata e retorna algum resultado. No HTML, geralmente usamos a tag form para delimitar a área na qual se encontram os campos a serem preenchidos pelo usuário, a fim de serem enviados para processamento no back-end (enquanto a página HTML é chamada de front-end da aplicação). (Figura 51). Figura 51 . Monitor instantâneo e o gráfico com 20 últimos registros. Fonte: Autoria própria. 71 Sem dúvida os gráficos são uma fonte importante de informação, sendo assim, são imprescindíveis a boa parte do sistema a construir gráficos utilizando Javascript. (Figura 51). Gráficos oferecem certa dificuldade para sua construção em qualquer linguagem, com uma rápida procura na internet pode-se encontrar algumas bibliotecas para este propósito, mas para o atual projeto foi utilizado a biblioteca do Google, a Google Chart Tools, pois é considerado por muitos como a melhor disponível devido a sua clareza de informações. (Figura 52, 53, 54 e 55). Figura 52 .Logo UNINOVE. Fonte: Autoria própria. Figura 53 .Busca no Aduno os sensores, e print na tela. Fonte: Autoria própria. 72 Figura 54 . Código do gráfico Google Chart Tools. Fonte: Autoria própria. Figura 55 . Código do gráfico Google Chart Tools. Fonte: Autoria própria. 73 4.4.6 GERADOR DE RELATÓRIOS EM PHP O Scriptcase é uma poderosa ferramenta PHP para geração de relatórios. Com ele, é possível criar relatórios dinâmicos, extraindo e exibindo os dados dos principais bancos de dados do mercado. Tais como: Oracle, MySQL, PostgreSQL e SQL Server. Internamente, o Scriptcase cria o relatório baseado em um comando SQL que pode unir uma ou mais tabelas. Com sua interface gráfica é possível customizar um relatório da maneira que desejar, removendo campos, alterando máscaras de exibição, fazendo cálculos em tempo de execução, realizando buscas dinâmicas e muito mais. (Figura 56,57 e 58). Figura 56 . Scriptcase cria o relatório baseado em um comando SQL. Fonte: Autoria própria. Figura 57 . O Scriptcase Gerador de Relatórios PHP. Fonte: Autoria própria. 74 Gráfico (Barra linha) apenas escolhendo campos e customizando seus valores para exibição. O Scriptcase Gerador de Relatórios PHP, ainda dispõe de uma gama de recursos que o tornam capaz de totalizar e agrupar dados, deixando a leitura e compreensão do relatório ainda mais clara e objetiva. O uso do Scriptcase pode reduzir o tempo de criação de um relatório em até 80%, deixando a preocupação apenas com as regras de negócio, enquanto ele faz todo o trabalho base. (Figura 58) [14]. Figura 58 .Sensores do Arduino. Fonte: Autoria própria. 75 5 CONCLUSÃO Aspectos relacionados ao uso crescente da energia elétrica, assim como esforços e resultados de programas que objetivam conscientizar os consumidores quanto ao uso racional do recurso, foram abordados no presente projeto Telemétrico. O projeto desenvolvido foi testado com os envios de dados pela rede ethernet e apresentou resultados positivos. Apesar de instabilidades em conexões com a rede wireless, o software desenvolvido no concentrador garantiu que todos os parâmetros disponibilizados pelo Arduino Mega, intensidade do sinal da operadora e de medição das tensões e correntes fossem armazenados no servidor de destino com sucesso. Para tanto, foi necessário obedecer às restrições identificadas conforme o item 3.1. Com a implantação do projeto, foi possível compreender o consumo de energia elétrica de equipamentos que geravam maior demanda em determinados horários. A visualização ficou simples e concisa, através do dashboard do sistema. Portanto, o objetivo deste estudo foi alcançado, tendo em vista a geração de dados que possibilitou uma tomada de decisão mais assertiva. Além disso, acredita-se quea telemetria possa alertar e conscientizar, possibilitando aos consumidores intensificar a busca por novas oportunidades de redução, evitando, portanto, desperdícios de energia elétrica e contribuindo para um mundo sustentável. No desenvolvimento do projeto em uma plataforma de software livre, percebeu- se que o mesmo pode ser totalmente customizado, possibilitando a introdução de uma infinidade de ferramentas que poderão ser acrescentadas ao projeto Telemétrico inicial. Pode-se realizar o acionamento de cargas remotamente, controlar e monitorar a temperatura do QGBT “Quadro Geral de Baixa Tensão” e programar até o recebimento de alarmes do sistema através de mensagens via celular, que poderão ser ativadas via SMS ou aplicativo de mensagens Telegram. Entretanto, para isso é necessária a configuração no código do sistema gatilhos informando determinadas situações que precisam ser comunicadas ao usuário. Uma delas seria a geração de informação a qualquer usuário do sistema quando a potência ou corrente chegasse a valores considerados de emergência ou atenção. Dessa forma o projeto Telemétrico passa de uma simples ferramenta de monitoramento seguro do consumo residencial com valores de tensão, corrente e potência, a tornar-se uma ferramenta para automação residencial inteligente e sustentável. 76 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ELÉTRICA., A. I. P. R. Relatório Técnico da Avaliação da. <http: //www.aneel.gov.br/hotsite/plc/>, 25 ago. 2017. 2. 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Centro de Tecnologia e Urbanismo Departamento de Engenharia Elétrica, Londrina, 2016. 104 p., 30 cm. 79 7 APÊNDICE 7.1 EXPLANAÇÃO DO PROGRAMA Em primeiro lugar, as bibliotecas para a aquisição de dados de sensores de corrente e biblioteca de LCD para visualização de dados. // /*Projeto Telemetrico Arduino Mega UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS ENGENHARIA ELÉTRICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. TELEMÉTRICO RA: 314202979 Francinaldo G. da Silva RA: 314202593 José Novais Junior. RA: 314201634 Thiago C. A. Dantas RA: 314203675 William Carlos Olanda SÃO PAULO 2018 */ //Modulo Arduino Mega // // //Bibliotecas #include <LiquidCrystal_PCF8574.h> #include "EmonLib.h" #include <SPI.h> #include <Wire.h> 80 //Declaração de defines #define CH_PD 3 //Porta CH_PD do ESP-01 #define SCT01 A0 //Porta analógica A0 conectado ao sensor SCT-013 (1) #define SCT02 A1 //Porta analógica A1conectado ao sensor SCT-013 (2) #define SEN_VAC01 A2 //Porta analógica A4 conectado ao sensor de Tensão AC-1 #define SEN_VAC02 A4 //Porta analógica A4 conectado ao sensor de Tensão AC-2 #define DEBUG true //Habilita o debug no console referente ao comandos AT usados no ESP-01 #define R1 220000.0 //Referencia para o calculo usado no Sensor de Tensão #define R2 5000.0 //Referencia para o calculo usado no Sensor de Tensão #define SAMPLES 500 //Quantidade de amostragem para leitura do Sensor Tensão //Declaração de variavies String ssid = "Telemetrico"; //SSID da rede wifi String password = "telemetrico"; //Senha da rede wifi String ipModule = "10.0.0.51"; //IP do módulo //String ipHost = "mysql.infinityti.com.br";
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