sistema de controle para equipamentos elétricos domésticos

SISTEMA DE CONTROLE PARA EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
DOMÉSTICOS
Francisco Erivaldo Fernandes Junior¹, Sheyla Rodrigues Rabelo², Dr. Pedro Klécius Farias Cardoso³
IFCE – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará
CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
¹[email protected], ²[email protected], ³[email protected]
Resumo: Este artigo tem como objetivo apresentar um projeto
desenvolvido por alunos de iniciação cientifica e tecnológica
para controle de consumo de energia elétrica residencial. O
projeto inicial controla aparelhos de ares condicionados
domésticos sem necessidade de modificações no aparelho. O
equipamento que será controlado necessitará apenas possuir
uma interface para controle remoto infravermelho. O usuário
do sistema necessitará apenas de um computador para realizar
a programação do funcionamento do aparelho da maneira que
desejar. O sistema utiliza comunicações através de redes sem
fio com protocolo ZigBee e os conceitos PEM.
Palavras-Chaves:
Controle,
automação
residencial,
gerenciamento de energia, ZigBee.
controle maior ao usuário e as concessionárias. Os dados de
consumo ficariam armazenados em um servidor, onde os
clientes, gestores do sistema elétrico e as companhias de
distribuição teriam acesso instantâneo e em tempo real sobre a
utilização dos recursos energéticos.
O consumidor comum teria uma enorme vantagem com a
utilização do PEM, pois ele poderia criar planos de consumo,
verificar horários com maior desperdício de energia e assim
obter uma redução significativa de seus gastos com energia. As
indústrias também poderiam obter significativa redução em
seus gastos.
Abstract: This paper aims to present a project developed by
students of scientific and technological initiation to control of
residential electricity consumption. The initial project controls
home appliances air conditioners without requiring any
modifications to the appliance. The equipment to be controlled
just need to have an interface for infrared remote control. The
system user will only need a computer to perform
programming of device function as desired. The system uses
communications via wireless networks with ZigBee protocol
and the PEM´s concepts.
Keywords: Control, home automation, energy management,
ZigBee.
1
INTRODUÇÃO
Em todos os ambientes em que existem equipamentos
elétricos e eletrônicos, sejam domésticos, coorporativos ou
industriais, sempre ocorre uma má utilização de tais
equipamentos o que acarreta em um gasto de energia
desnecessário para a concessionária e para os consumidores.
Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica
(ANEEL), o consumidor brasileiro desembolsou em torno R$ 5
bilhões na conta de luz destinados a projetos de eficiência
energética e de soluções para melhorar a operação do sistema
elétrico nacional, no que se refere da produção à transmissão
ao consumidor final, nos últimos 10 anos. No entanto, a
preocupação voltou-se para o consumo residencial que está
crescendo de maneira considerável, não apenas pelo maior
acesso a eletrodomésticos, mas, sobretudo pelo desperdício
causado por aparelhos elétricos ligados desnecessariamente,
trazendo prejuízos tanto para o consumidor quanto para as
concessionárias.
Diante desse problema existe a proposta de um novo
conceito sobre uma melhor utilização dos recursos energéticos,
conhecido como “Personal Energy Management” (PEM). Esta
nova forma de gerenciar o consumo de energia fornece um
Figura 1 – Arquitetura do sistema
A utilização do PEM está ligada a possibilidade de
controlar todos os equipamentos de maneira eficaz. O usuário
poderia manter um determinado ambiente em uma temperatura
constante, independente do número de pessoas ou fontes de
calor existentes nesse ambiente. A filosofia PEM acarreta na
criação de dispositivos que podem realizar medições de si
mesmos e ajustar constantemente os equipamentos que estão
sendo controlados para manterem uma saída constante. Outra
possibilidade de utilização desses equipamentos inteligentes
seria a programação de horários de funcionamento ou
desligamento automático quando não existirem pessoas no
ambiente.
Dados demonstrativos comprovam que quanto menor
uma empresa maior a porcentagem de energia elétrica
consumida por ares condicionados. Se em empresas esses
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1
aparelhos são os maiores consumidores de eletricidade em
residências a situação não é diferente. Portanto, um uso mais
inteligente desses equipamentos acarretariam uma conseqüente
diminuição do consumo de energia. Logo, o controle de arcondicionados torna-se um assunto relevante nos dias atuais.
O presente projeto consiste de um sistema de controle de
ares condicionados domésticos sem necessidade de
modificações nos equipamentos, o único pré-requisito será que
eles precisarão possuir uma interface para utilização de
controle remoto infravermelho. O controle remoto tradicional
desses equipamentos será substituído por um controle
programável através de um computador pessoal. Portanto, o
usuário do ar condicionado poderá programar dias, horários e
temperatura de funcionamento de seu equipamento utilizando o
seu próprio microcomputador. O usuário precisará apenas
manter o controle desenvolvimento em visada direta para o ar
condicionado, assim o controle poderá ligar, desligar e mudar a
temperatura de acordo com a programação criada. Além disso,
existi um módulo USB para que o sistema desenvolvido
funcione na maioria dos computadores existentes atualmente.
A comunicação entre o computador e o controle desenvolvido
será feita através de uma rede sem fio que utilizará o protocolo
ZigBee.
2
2.1
MÓDULO DE CONTROLE
O módulo de controle é o dispositivo final de controle
do equipamento. Ele tem as funções de receber dados do
servidor, interpretar esses dados e controlar o equipamento.
Um fluxograma de funcionamento deste dispositivo é mostrado
na figura 2.
Este equipamento foi construído utilizando-se um
microcontrolador da série PIC, modelo 16F876A, um radio
transmissor ZigBee XBeePRO da Digi International, um sensor
de temperatura LM35 da National Semiconductor, um RealTime Clock da Maxim Semiconductor DS1302 e um LED
infravermelho para a comunicação com o ar-condicionado.
O microcontrolador PIC foi escolhido por sua
versatilidade e facilidade de programação além de ser
facilmente encontrado a venda em qualquer lugar do Brasil. O
modelo 16F876A possui as seguintes características:
FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
O sistema consiste de um módulo USB e um módulo de
controle. Todas as partes do sistema se comunicam através de
uma rede sem fio utilizando o protocolo ZigBee. Um diagrama
de funcionamento do sistema é mostrado na figura 1.
O sistema é dividido em duas partes: o módulo de
controle e o software servidor. O módulo de controle é um
disposito que funciona com protocolo ZigBee, interface optica
infravermelha e sensor de temperatura. O software servidor é
feito em java e possui as ferramentas necessárias para o
controle do ar condicionado pelo o usuário. Este software se
comunica com o módulo de controle através de uma interface
USB-ZigBee. A seguir, cada parte do sistem a será
demonstrada e explicada.

Memória de programa de 14,3kB;

Memória RAM de 368B;

EEPROM de 256B;

Conversor analógico-digital de 10-bit;

Interface USART;

Interface SPI;

Interface I²C;

Etc.
O radio transmissor ZigBee XBeePRO possui diversas
vantagens, algumas delas são apresentadas abaixo:

Performance:
o
Rendimento da Potência de saída: 60 mW
(18 dBm), 100 mW EIRP;
o
Alcance em ambientes internos ou zonas
urbanas: 100m;
Figura 2: Fluxograma de funcionamento do módulo de controle
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



o
Alcance de RF em linha visível para
ambientes externos: 1,6Km;
o
Sensibilidade do receptor: -100 dBm (1%
PER);
o
Freqüência de operação: ISM 2.4 GHz;
o
Taxa de dados de RF: 250.000 bps;
o
Taxa de dados da Interface (Data Rate):
115.200 bps;
Clock. Em seguida, a tensão de 5V é convertida para 3,3V para
utilização do radio ZigBee.
Alimentação:
o
Tensão de alimentação: 2.8 à 3.4v;
o
Corrente de transmissão (típico): 215 mA @
3.3 V;
o
Corrente de Recepção (típico): 55 mA @ 3.3
V;
o
Corrente de Power-down Sleep: <10 µA;
Figura 3: esquemático do módulo de controle
Propriedades físicas:
o
Dimensões: (2,438cm x 3,294cm);
o
Temperatura de operação: -40 to 85º C
(industrial);
o
Opções de antena: Conector U.FL RF, Chip
ou Chicote (whip);
Rede:
o
Tipo de espalhamento espectral: DSSS
(Direct Sequence Spread Spectrum);
o
Manipulação de erro: Retransmite novamente
(Retries)
&
reconhecimento
(acknowledgements);
o
Topologia de Rede: Peer-to-peer(Par-a-par),
ponto-a-ponto, ponto-a-multiponto e malha;
o
Endereçamento: 65.000 endereços de rede
disponíveis para cada canal;
o
Opções de filtros: PAN ID, canais e
endereços;
o
Criptografia: 128-bit AES;
o
Número de canais selecionáveis via software:
12 canais de seqüência direta;
Figura 4: visão geral do módulo de controle
2.2
DETERMINAÇÃO DOS CÓDIGOS IR
Para a determinação da codificação do controle do arcondicionado testado foi utilizado um circuito composto por
um fototransistor infravermelho e um osciloscopio. O arcondicionado utilizado era fabricado Carrier do tipo splint.
A modulação das informações do citado equipamento é
feita em 38kHz cada pulso possui 21 unidades de tempo, será
convencionado “T”. Um sinal lógico “1” é formado por 1T alto
seguido por 3T baixo. Enquanto que um sinal lógico “0” é
formado por 1T alto e 1T baixo.
Geral:
o
Faixa de freqüência: 2.4000 - 2.4835 GHz.
O Real-Time Clock DS1302 é um relógio capaz de
contar, dias, meses, anos, horas, minutos, segundos e dias da
semana. Sua comunicação é feita pela interface SPI do
microcontrolador. Este CI é essencial para o controle do ar
condicionado de acordo com a programação do usuário.
Por último, o sensor de temperatura LM35 da National
Instruments é um CI com saída analógica para medição de
temperatura em escala de graus celsius.
O LED infravermelho tem a função de se comunicar
com o ar condicionado ele é responsável por mandar comandos
de ligamento, desligamentos e mudança de temperatura.
O circuito é alimentado por uma bateria de 9V. Essa
tensão é convertida para 5V para ser utilizada no
microcontroladores, sensor de temperatura e o Real-Time
Figura 5: exemplo de pulsos emitidos por um controle remoto
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3
2.3
SOFTWARE SERVIDOR
Como dito anteriormente, o programa servidor será a
interface homem-máquina do sistema proposto. Neste software
existe as opções para a programação do ar condicionado, como
horários, dias da semana e temperatura de funcionamento. Ele
é escrito em Java, uma linguagem com alto grau de
portabilidade, para permitir a utilização em sistemas poucos
convencionais, como Linux, BSD e Mac OS. As figuras 6 e 7
mostram as telas do software para o usuário final.
bastando usar o programa X-CTU distribuido pela própria Digi
International. Com este software toda a configuração de rede é
feita através dele. Portanto, o envio de dados, após a
configuração do módulo, é feita como se fosse uma porta serial
comum. No programa que enviará dados não é necessário criar
rotinas para a configuração e funcionamento da rede. A figura
9 mostra a janela de configuração das opções de rede do
programa X-CTU.
No corpo do módulo USB do site RogerCOM também é
possível saber algumas informações do funcionamento da rede,
como intensidade do sinal, se estar recebendo ou transmitindo e
se o módulo estar funcionando. Além disso, o módulo conta
com drivers para os mais diversos sistemas operacionais, desde
o antiguado MS Windows 98 até o novíssimo MS Windows 7.
Figura 6: Tela inicial do servidor
Figura 7: Tela para programação do ar condicionado
Após a finalização da programação, o usuário basta
apertar o botão “PROGRAMAR” para que todos os dados
sejam enviados para o módulo de controle.
A transmissão dos dados do PC para o módulo de
controle é feito por um módulo USB que será explicado logo
abaixo.
2.4
MÓDULO USB
O módulo USB é o meio de transmissão entre o PC e o
módulo de controle nesse sistema. Ele converte uma porta USB
comum em um transmissor e receptor ZigBee.
O módulo utilizado nesse sistema é uma solução
comercial
encontrada
a
venda
no
site
http://www.rogercom.com. O módulo utilizado no sistema
descrito nesse documento é mostrado na figura 8.
Figura 9: Programa X-CTU para configuração do módulo
XBee
2.5
TOPOLOGIA DA REDE
Redes ZigBee possuem diversas topologias, como
Árvore, Estrela e Malha. No presente projeto foi utilizado a
topologia Malha, ou Mesh em inglês.
Figura 8: Módulo USB-ZigBee do site RogerCOM
A grande vantagem do módulo vendido por este site
estar no fato dele utilizar um módulo XBee da Digi
International. O módulo XBee possui uma fácil configuração,
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Figura 10: Topologia da rede ZigBee utilizada no projeto
Este tipo de topologia foi adotada por ser mais
dinâmica. Ela se ajusta automáticamente tanto na inicialização
como na entrada ou saída de dispositivos da rede. Logo, essa
topologia é ideal para a aplicação devido a futuras
implementações que possam ser agregadas ao projeto.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
3
PEREIRA, Renée. Desperdício de energia chega a R$ 16 bi
por ano. ESTADÃO, São Paulo, SP, 12 jan. 2010;
SISTEMA DE CONTROLE
O sistema proposto funciona como um controlador
proporcional e possui o diagrama de blocos mostrado na figura
11, logo abaixo.
LUNA, M. F. Fernandes. Controle Inteligente para
Automação Predial. Monografia (graduação) – Curso
de Engenharia Mecatrônica, Faculdade de Tecnologia,
Universidade de Brasília, Brasília. 2010;
MELO, T. B.; CARDOSO, Klecius. Sistema de
Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia
Elétrica, IX ENICIT, Fortaleza, 2009;
MELO, T. B. ; CARDOSO, Klecius. Rede de Comunicação
de Dados Sem Fio para Medição do Consumo
Residencial de Energia Elétrica. IV CONNEPI,
Belém-Pará, 2009;
Figura 11: Diagrama de Blocos do sistema proposto
A temperatura do ambiente é ajustada a cada nova
varredura do sistema, portanto a temperatura nunca será a
desejada, pois sempre existirá um pequeno erro inerente a
todos os sistemas proporcionais. Entretanto, para ambientes
domésticos, esse erro é imperceptível fazendo com que não
haja necessidade de um sistema de controle mais robusto.
4
CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
Existe um enorme esforço no mundo para tornar o
consumo de energia mais consciente e reduzir disperdícios.
Entretanto, muitos projetos existentes buscam atingir esses
objetivos em industrias e/ou centros comerciais. O consumidor
doméstico tem poucas opções para reduzir seus gastos
energéticos. O presente projeto é voltado para consumidores
domésticos e com a opção de não necessitar de nenhuma
modificação no equipamento do cliente que é algo raro quando
se trata de automação doméstica.
O controle eficiente dos aparelhos de ar condicionado
gera uma redução de energia elétrica imediata para o
consumidor. Os trabalhos futuros nesse projeto visam manter o
sistema acessível para o usuário comum sem necessidades de
grandes intervenções em suas acomodações. Alguns das futuras
implementações do sistema serão:
LUIZA DALMAZO, A rede elétrica inteligente. Revista
Exame , agosto 2009.
The Green Grid: Energy Savings and Carbon Emissions
Reductions Enabled by a Smart Grid, EPRI
Technical Update Report 1016905, June 2008.
MELO, T. B. ; LIMA, J. S. ; CARDOSO, Klecius. Sistema de
Gerenciamento Pessoal do Consumo de Energia
Elétrica. III INFOBRASIL, Fortaleza, 2010.
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS
ENGINEERS STD 802.11. Part 11: Wireless LAN
MediumAccess Control (MAC) and Physical Layer
(PHY) Specifications Higher-Speed Physical Layer
Extension in the 2.4 GHz Band. September 1999
FARAHANI S., ZIGBEE WIRELESS NETWORKING,
Oxford: Elsevier; 2008;
EADY F., Hands-On ZigBee. Oxford: Elsevier; 2007;
MICROCHIP. Datasheet: PIC16F87XA 28/40/44-Pin
Enhacend Flash Microcontrollers. Publicação
Eletrônica, 2003;
NATIONAL
SEMICONDUCTOR.
Datasheet:
LM35
Precision
Centigrade
Temperature
Sensors.
Publicação Eletrônica, novembro de 2000;
Sensores de presença: caso não exista
ninguém no ambiente em que o aparelho estar
o mesmo seria desligado e caso entre alguém
no
ambiente
o
aparelho
é
ligado
automáticamente;
DALLAS SEMICONDUCTOR. Datasheet: DS1302 Trickle
Charge Timekeeping Chip. Publicação Eletrônica;

Medidores
de
energia
monofásicos:
permitiriam um melhor controle no consumo
de energia, esses medidores poderiam ser
ligados em qualquer tipo de aparelho
consumidor de energia elétrica residencial;
MESSIAS, Antônio Rogério. Controle remote e aquisição de
dados via XBee/ZigBee (IEEE 802.15.4). Disponível
em:
<http://www.rogercom.com/IconZNet.gif>,
acessado em 15 de março de 2011;

Controle de equipamentos via internet: o
usuário poderia controlar seus equipamentos de
qualquer lugar do mundo, contanto que ele
possua acesso a internet. Seria criado um
servidor na WEB para o gerenciamento dos
equipamentos.

DIGI INTERNATIONAL. Datasheet: XBee Multipoint RF
Modules Embedded RF Modules For OEMs.
Publicação eletrônica, 2008;
OGATA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno. 2. ed.
Rio de Janeiro: Prentice Hall.
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5