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Zago_RicardoMazza_M

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1.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Revisão Bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 Rede de Sensores Sem Fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Panorama Energético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Células fotovoltaicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.1 História . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 Radiação solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 Física das células fotovoltaicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.4 Parâmetros da célula fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.5 Organização macroscópica das células fotovoltaicas . . . . . . . . . 30
2.3.6 Curva I-V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.7 Métodos de MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.8 Análise das características de painéis solares . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Soluções comerciais de medição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Medição de geração solar em laboratórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6 Resoluções normativas da ANEEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.7 Computação em nuvem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 Conclusões do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Hardware do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1 Placas de desenvolvimento, SoC e Microcontroladores . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1 Interface de comunicação GPIO e protocolos UART, SPI e I2C. . . 42
3.1.1.1 SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.1.2 I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Placa de desenvolvimento para o concentrador . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Placa de desenvolvimento para os nós sensores . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Rede sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1 Dimensionamento da aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2 Padrão de mercado e tecnologias proprietárias . . . . . . . . . . . . 49
3.4.3 Topologia de rede em estrela ou malha . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.4 IEEE 802.11 e Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.5 IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.6 ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.7 Thread . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.8 Digimesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.9 LoRa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.10 panStamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.11 Comparação entre soluções de rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.12 Conexão do XBee ao Raspberry Pi e Arduino . . . . . . . . . . . . 56
3.5 Sistema Operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 Para o concentrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.1.1 Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.1.2 Windows 10 IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.1.3 Android Things (Google Brillo) . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.1.4 Comparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.2 Para os nós . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.2.1 Zephyr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5.2.2 Contiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.2.3 FreeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6 Alimentação dos nós sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.7 Medição de Tensões e Correntes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.8 Placa projetada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.8.1 Caixa fabricada utilizando uma impressora 3D . . . . . . . . . . . . 69
3.9 Consumo de energia estimado do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.10 Custo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.11 Conclusões do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 Integração do software com o hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1 Configuração da rede sem fio Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.1 Canais de rede sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.2 Frame de dados no modo API do XBee . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2 Firmware desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Software desenvolvido para o concentrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4 Interface para o usuário analisar dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.1 Segurança em redes sem fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.2 Segurança no padrão Zigbee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.3 Processo de fabricação de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.5.4 Projeto de versão atualizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6 Conclusões do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.1 Conexão dos nós . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2 Validação das medições do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3 Estudo de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4 Consumo de energia medido do nó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5 Conclusões do capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6 Conclusões finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Publicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Anexos 117
ANEXO A Configurações do rádio XBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A.1 Configurações do XBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A.2 Detalhamento de um frame XBee de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
ANEXO B Transformando um programa em serviço no Linux . . . . . . . . . 122
ANEXO C Códigos fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
C.1 Concentrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
C.1.1 main.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
C.1.2 server.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
C.1.3 access_database.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
C.1.4 cloud.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
C.1.5 plotador.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
C.1.6 main_interface_db.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
C.1.7 aux_functions.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
C.2 Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
18
1 Introdução
Energias renováveis a cada dia se tornam mais importantes para o futuro. Pesquisas
indicando a realidade do aquecimento global apenas aumentam a importância

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