33042753 Automacao de Medidores de Energia Eletrica Carlos Balan

Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

Curso de Engenharia Elétrica

Automação de Medidores de Energia Elétrica

Carlos Henrique Marcelino Balan

Poços de Caldas

2010



Trabalho apresentado à disciplina de

Orientação de Projeto de Fim de Curso da

Pontifícia Universidade Católica de Minas

Gerais, Campus Poços de Caldas.

Orientador: Ramiro Romankevicius Costa

Poços de Caldas

2010

B171a Balan, Carlos Henrique Marcelino.

Automação de Medidores de Energia Elétrica.

Poços de Caldas, MG, 2010.

Orientador: Ramiro Romankevicius Costa.

Relatório de Projeto de Fim de Curso – Pontifícia Universidade Católica

de Minas Gerais – campus Poços de Caldas, Curso de Engenharia

Elétrica.

1. Automação 2. Energia Elétrica

CDU 681.3.098: 621.31



Trabalho apresentado à disciplina Orientação de Projeto de Fim de

Curso da Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica de

Minas Gerais – campus Poços de Caldas.

.

Prof. M.Sc Ramiro Romankevicius Costa (Orientador) – Puc Minas

.

Prof. M.Sc Rodrigo Gonçalves – Puc Minas

.

Prof. M.Sc Francislei José da Silva – Puc Minas

Poços de Caldas, 9 de Junho de 2010

Aos meus pais.

Que sempre me incentivaram, e acreditaram na minha vitória.

AGRADECIMENTOS

Agradeço Primeiramente a Deus pela luz que iluminou e guiou meus passos

por todos estes anos de estudo.

Agradeço a minha família, em especial aos meus pais, Ademir e Natalina, por

todo o apoio e incentivo que me dedicaram.

Agradeço aos professores, “fontes do saber”, que se tornaram amigos e

conselheiros ao final do curso.

Agradeço a todos aqueles que de alguma forma me ajudaram com o

desenvolvimento deste trabalho.

Agradecimentos a todos aqueles que foram reconhecidos ou não. Aos que de

alguma maneira se orgulharam. Todos têm a sua importância e serão sempre

lembrados.

“Quem teme perder já está vencido. Somente se aproxima da perfeição

quem a procura com constância, sabedoria,

e sobretudo, com muita simplicidade”

Pensamento Chinês.

RESUMO

O presente trabalho tem por objetivo o estudo e o desenvolvimento de um sistema

wireless de aquisição e transmissão de dados, para ser aplicado à leitura

automatizada de medidores de energia elétrica residenciais, possibilitando efetuar a

leitura do consumo de energia de forma remota, reduzindo assim os custos com a

mão de obra necessária para este serviço. Neste trabalho também são abordados

conceitos que visam uma contribuição para a evolução destes medidores,

oferecendo uma solução para os atuais problemas referentes à leitura, furto de

energia, fraude, corte e religamento e tarifação sazonal. Para a transmissão de

dados, será utilizada a rede wireless denominada ZigBee regulamentada pela norma

IEEE 802.15.4, que tem como principais características a facilidade de criação e

manutenção da rede, a grande imunidade a interferências, a facilidade de se

adicionar novos pontos de acesso, o baixo consumo de energia, entre outras.

Palavras Chave: Automação de Medidores de Energia Elétrica, Leitura

Automatizada de Medidores, ZigBee, Eletrônica Embarcada.

ABSTRACT

This work has for objective the study and development of a data acquisition and

wireless transmission system, to be used on the automatic access of residential

electric meters. This allows the acquisition of electric consumption data in a remote

way, reducing costs and labor in this service. This work also presents concepts that

aim for a contribution on meters evolution, offering a solution for currents problems

with meters reading, electricity theft, fraud, disconnection and reconnection of

consumers and seasonal fees. For data transmission, it will be used the wireless

network named ZigBee managed by the IEEE 802.15.4 standard, that facilitates

network creation and maintenance, has high interference immunity, easily permits to

add new access points, has the lowest energy consumption, and others.

Key-words: Electrical Metering Automation, Automated Meter Reading, ZigBee,

Embarked Electronic.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Esquema básico do sistema elétrico. ........................................................ 17

Figura 2 - Ramal de entrada de energia do consumidor. .......................................... 18

Figura 3 - Medidor de lâmpada-hora de Gardiner e medidor de lâmpada-hora para

corrente alternada de Fuller. ..................................................................................... 20

Figura 4 - Medidor de ampere-hora químico de Edison ............................................ 20

Figura 5 - Medidor de ampere-hora de Shallenberger. ............................................. 21

Figura 6 - Medidor de watt-hora de Shallenberger .................................................... 22

Figura 7 - Medidor de pré-pagamento oferecido pelas companhias GE, Fort Wayne,

Westinghouse e Sangamo na sequência. ................................................................. 23

Figura 8 - Medidor tipo I produzido pela GE .............................................................. 24

Figura 9 - Medidor tipo OB destacável da Westinghouse ......................................... 24

Figura 10 - Medidor modelo I-50 da GE .................................................................... 26

Figura 11 - Partes constituintes do medidor de energia elétrica. ............................... 27

Figura 12 - Circuito magnético do medidor de energia elétrica. ................................ 29

Figura 13 - Forças resultantes da interação entre os fluxos e a corrente . ........ 30

Figura 14 - Forças resultantes da interação entre o fluxo e as correntes . .......... 30

Figura 15 - Medidor de Energia Elétrica .................................................................... 37

Figura 16 - Local para instalação dos sensores. ....................................................... 39

Figura 17 – Esquema do suporte dos sensores ópticos. ........................................... 40

Figura 18 - Suporte dos sensores ópticos. ................................................................ 41

Figura 19 – Efeito Bounce. ........................................................................................ 41

Figura 20 – Debounce através da espera de um determinado tempo ( ) ................ 42

Figura 21 – Erro de debounce devido a velocidade variável. .................................... 42

Figura 22 – Debounce usando dois sensores para atuar um Flip-Flop tipo D. .......... 43

Figura 23 - Circuito do receptor. ................................................................................ 43

Figura 24 - Placa de circuito impresso dos sensores. ............................................... 44

Figura 25 - Kit de desenvolvimento FBee. ................................................................ 45

Figura 26 - Módulo tranceiver FBee. ......................................................................... 46

Figura 27 - Topologia estrela. .................................................................................... 48

Figura 28 - Topologia árvore. .................................................................................... 49

Figura 29 - Topologia MESH. .................................................................................... 49

Figura 30 - Pilha de demonstração do protocolo ZigBee. ......................................... 50

Figura 31 - Camadas do protocolo ZigBee. ............................................................... 51

Figura 32 - Funções Primitives e suas respostas. ..................................................... 53

Figura 33 - Circuito eletrônico do dispositivo de interface. ........................................ 66

Figura 34 - Circuito montado em protoboard. ............................................................ 66

Figura 35 - Teste dos sensores acoplados ao medidor. ............................................ 67

Figura 36 – Teste do circuito de aquisição de dados ................................................ 68

Figura 37 – Teste final do protótipo desenvolvido ..................................................... 69

LISTA DE SIGLAS

AC – Alternated Current

ANATEL – Agencia Nacional de Telecomunicações

COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação em Engenharia

FFD – Full Function Device

FSK – Frequency Shift Keying

GE – General Electric

ICSP – In Circuit Serial Programming

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISM – Industrial Scientific Medical

Kd – Constante do disco

Kg – Quilograma

KV – Quilovolt

MAC – Media Access Control

MiWi – Microchip Wireless

PDA – Personal Digital Assistant

PHY – Physical

PLC – Power Line Communications

RF – Rádio Frequência

RFD – Reduced Function Device

RS-232 – Recommended Standard 232

UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro

USP – Universidade de São Paulo

V – Volt

VHF – Very High Frequency

Wh/r – Watt hora por revolução

Wi-Fi – Wireless Fidelity

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 13

1.1 Considerações Iniciais ...................................................................................... 13

1.2 Justificativa ........................................................................................................ 15

1.3 Objetivos ............................................................................................................ 16 1.3.1 Objetivo Geral ................................................................................................. 16 1.3.2 Objetivos Específicos .................................................................................... 16

2 REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................. 17

2.1 Introdução .......................................................................................................... 17

2.2 Uma breve história do surgimento e desenvolvimento dos medidores de energia elétrica ........................................................................................................ 19

2.3 Princípio de funcionamento do Medidor de Energia Elétrica, Eletromecânico, Residencial .................................................................................. 27

2.4 Contexto atual do mercado energético ........................................................... 31

3 METODOLOGIA .................................................................................................... 35

4 DESENVOLVIMENTO ........................................................................................... 36

4.1 Desenvolvimento dos sensores a serem acoplados ao medidor ................. 36

4.2 Protocolo ZigBee. .............................................................................................. 44

4.3 Desenvolvimento do dispositivo de aquisição e transmissão de dados. .... 64

4.4 Testes efetuados com os protótipos ............................................................... 67

5 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 70

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 72

ANEXO A – ARQUIVO PRINCIPAL DO PROJETO DO DISPOSITIVO COORDINATOR ....................................................................................................... 73

ANEXO B – ARQUIVO PRINCIPAL DO PROJETO DO DISPOSITIVO RFD .......... 99

13

1 INTRODUÇÃO

1.1 Considerações Iniciais

Os avanços efetuados no estudo da eletricidade por volta do século XVIII

permitiram ao homem dominar sua produção e transporte. Com a instalação dos

primeiros centros de geração, esta energia passou a ser distribuída, e os gastos com

sua produção, divididos entre seus consumidores. Mas como deveria ser feito esta

cobrança?

De início, a energia elétrica era praticamente toda consumida por lâmpadas a

arco voltaico, que eram ligadas ao mesmo tempo e pela mesma chave. Deste modo,

iniciou-se uma cobrança pelo tempo no qual estas lâmpadas ficavam ligadas. Com

esta ideia surgiu o primeiro medidor de energia elétrica, conhecido por “Medidor de

lâmpada-hora”, desenvolvido em 1872 por Samuel Gardiner.

A partir deste momento, vários pesquisadores iniciaram uma verdadeira

corrida em busca de soluções mais adequadas para a medição de energia elétrica.

Dentre todos os medidores pesquisados, aqueles que mais se destacaram foram os

medidores de ampere-hora e de watt-hora, que sofreram diversas modificações ao

longo dos anos, sempre procurando atender o mercado de energia elétrica.

Nos dias atuais, o medidor mais utilizado é o medidor de watt-hora, também

conhecido por “relógio de luz” como uma analogia ao primeiro medidor desenvolvido

por Gardiner. Estes medidores podem ser encontrados no formato mais comum, que

é o medidor eletromecânico com transdutor indutivo e registrador ciclométrico ou de

ponteiros, e no formato eletrônico, com sensores hall efetuando a medição de

energia e displays eletrônicos ou registradores mecânicos para serem efetuadas as

leituras.

As leituras destes medidores são feitas em sua maioria de forma não

automatizada, ou seja, um funcionário da concessionária vai até o medidor todas as

vezes que se necessita efetuar uma leitura. Geralmente estas leituras são feitas uma

vez por mês, permitindo as concessionárias efetuar uma cobrança mensal de seus

consumidores.

14

Muitas vezes ocorre de alguns medidores estarem em um local de difícil

acesso, ou no caso de residências muito antigas, estarem dentro da própria

residência do consumidor. Somando este fato à probabilidade de um funcionário

efetuar a leitura de forma errada, e a procura por sistemas de medição antifraude,

desencadeou-se uma série de pesquisas com base no desenvolvimento de sistemas

para a automatização destes medidores.

Para esta automatização, muitos pesquisadores optaram pelo

desenvolvimento de um medidor totalmente novo, com o dispositivo de acesso a

rede de transmissão já embutido. Esta forma de automatização se mostra viável

apenas á longo prazo, pois seria necessária a troca de todos os medidores

atualmente instalados, demandando um alto investimento.

Na tentativa de reduzir este investimento inicial, alguns pesquisadores

estudam o desenvolvimento de um dispositivo para ser acoplado ao medidor já

existente (de forma pouca invasiva), coletando os dados do mesmo e os enviando

para a central. Desta forma, os medidores atuais poderiam ser utilizados até o final

de sua vida útil, reduzindo assim os custos necessários para a implantação deste

sistema.

Para a transmissão destes dados, a maioria dos estudos está sendo

direcionada no sentido de se utilizar a própria rede elétrica como meio de

transmissão, tecnologia denominada PLC (Power Line Communications) e que está

atualmente sendo pesquisada pela UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro),

porém esta tecnologia demanda uma adequação das redes elétricas já existentes.

Outro meio de transmissão também cogitado consiste do uso da rede móvel celular

(já em uso por algumas concessionárias na leitura de medidores instalados em

indústrias), porém este método depende de contratos efetuados com as operadoras

de telefonia celular, o que pode vir a elevar o custo do sistema.

Há também alguns estudos direcionados a utilização de redes pessoais para

esta transmissão de dados, como por exemplo, as redes Bluetooth (atualmente em

teste pela AES Eletropaulo) e a transmissão de dados por infravermelho (já

implantado em alguns medidores, para sua comunicação com coletores manuais),

ambas padronizadas pela norma IEEE 802.11, e também as redes ZigBee e MiWi

(Microchip Wireless), padronizadas pela norma IEEE 802.15.4.

15

1.2 Justificativa

Existem vários grupos de pesquisa distribuídos pelo Brasil1 buscando uma

solução para a automação de medidores de energia elétrica, água e gás, sendo que

as propostas baseiam na transmissão de dados por Rádio Frequência (RF) e através

da própria rede elétrica (Power Line Communications - PLC) entre outras. A grande

maioria destas propostas apresenta alguns pontos frágeis, como a tentativa de

desenvolver um medidor totalmente novo, tornando muito caro o custo de

implantação, além de se utilizar redes de dados vulneráveis a interferências e ruídos

externos.

Neste mesmo tempo, a demanda pela tecnologia de transmissão de dados

wireless teve um crescimento significante. Isto se deve em principal a rede, que por

não necessitar de cabos, reduz o tempo e o custo de implantação. Este mercado

tem despertado o interesse de muitos pesquisadores, que buscam aprimorar estas

redes, possibilitando a transferência de dados a taxas cada vez mais elevadas.

Seguindo este caminho, algumas empresas estudam a criação de redes

favoráveis à automação, que ao contrário das demais redes para troca de dados,

não necessita de altas taxas de transmissão, mas sim de segurança e confiabilidade,

sendo capazes de suportar diversos tipos de interferência, devido ao ambiente onde

as mesmas deverão operar.

Este trabalho busca dar prosseguimento aos estudos já iniciados sobre a

aplicação da tecnologia de transmissão de dados wireless padrão IEEE 802.15.4,

juntamente com seu protocolo ZigBee na automatização da leitura de medidores de

energia elétrica residenciais.

1 COPPE/UFRJ (Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia

em parceria com a Universidade Federal do Rio de Janeiro) – Programa de Planejamento Energético.

USP (Universidade de São Paulo) - Sistema de cartão pré-pago para consumo de energia elétrica.

16

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo Geral

Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um dispositivo eletrônico

capaz de efetuar a leitura dos medidores de consumo de energia elétrica

residenciais, e transmitir estes dados para uma central onde os mesmos serão

processados. Espera-se desenvolver um dispositivo que não altere o funcionamento

dos medidores existentes, e que utilize uma rede de transferência de dados imune a

interferências e ruídos externos.

1.3.2 Objetivos Específicos

O trabalho objetiva o desenvolvimento de um dispositivo para uso na

automatização da leitura de medidores de energia elétrica, tendo o estudo

direcionado para os seguintes tópicos:

Estudo dos medidores de energia elétrica, suas características e

funcionamento.

Alocação dos sensores para a leitura do medidor.

Desenvolvimento dos circuitos eletrônicos para:

o Módulo de comunicação wireless padrão ZigBee.

o Interface entre o dispositivo e o computador.

Adequação da pilha de protocolo ZigBee para o dispositivo

desenvolvido.

Testes com os protótipos para a correção de falhas que o mesmo

possa apresentar.

17

2 REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Introdução

A energia elétrica passa por uma série de equipamentos desde sua produção,

a chegada ao consumidor. Estes equipamentos fazem parte do sistema elétrico e

podem ser divididos em três partes distintas: a produção, a transmissão e a

distribuição; como ilustra a Figura 1.

Figura 1 - Esquema básico do sistema elétrico. Fonte: Creder, 2002.

A produção de energia elétrica é efetuada normalmente por meio de

geradores de grande porte, que podem ser movidos pela força da água, no caso de

hidrelétricas; pela força do vapor, no caso de termoelétricas, usinas nucleares, e

alguns tipos de usinas solares; pela força do vento, no caso das usinas eólicas; etc.

Os centros de produção de energia elétrica são denominados “Usinas”, e são

interligados entre si e aos pólos de consumo por meio de linhas de transmissão.

Esta interligação possibilita as Usinas um melhor controle de sua produção,

pois uma delas pode ficar responsável por manter o sistema estável, enquanto as

outras operam com uma geração fixa, ou seja, quando uma carga é adicionada ou

retirada do sistema, a Usina responsável pela estabilidade aumenta ou diminui sua

geração de forma proporcional.

Para que estas interligações sejam economicamente viáveis, as linhas de

transmissão devem operar com tensões elevadas, possibilitando a sua construção

com condutores de bitola menor e diminuindo as perdas de energia nestes

18

condutores. Assim sendo, temos uma subestação elevadora junto a Usina, e uma

subestação abaixadora junto ao centro de distribuição.

Os centros de distribuição são responsáveis por distribuir a energia elétrica

aos consumidores e são normalmente localizados dentro dos próprios centros de

utilização (cidades, bairros, indústrias, etc.). A distribuição de energia elétrica se

inicia na subestação abaixadora, onde a tensão é abaixada para valores

padronizados (11 kV; 13,2 kV; 15 kV; etc.). Depois esta energia é distribuída pelas

redes de distribuição primária, até perto dos consumidores, onde a tensão é

novamente abaixada para os valores padronizados para a utilização, denominados

baixa tensão (380/220 V, 220/127 V). Esta energia é então distribuída pelas redes

de distribuição secundárias, que são finalmente ligadas aos ramais de entrada dos

consumidores, conforme ilustra a Figura 2.

Figura 2 - Ramal de entrada de energia do consumidor. Fonte: Creder, 2002.

19

A medição de energia elétrica surgiu com o intuito de possibilitar as

concessionárias, um meio de efetuar o faturamento de seus clientes de forma

adequada. Para isso, utiliza-se de medidores capazes de registrar a quantidade de

energia elétrica que já foi consumida, e que são instalados nos ramais de entrada

dos consumidores.

2.2 Uma breve história do surgimento e desenvolvimento dos medidores de

energia elétrica

De acordo com (Dahle, 2009), por volta do ano de 1870, a eletricidade tinha

seu uso direcionado principalmente para o telefone e o telégrafo, sendo que em

questão de potência, seu uso era limitado a algumas lâmpadas a arco ligadas em

série. Sabendo-se que a corrente e a tensão nestas lâmpadas eram constantes, e

que todas as lâmpadas eram controladas por uma única chave, apenas se fazia

necessário medir o tempo no qual estas lâmpadas ficavam ligadas, criando-se então

uma unidade de medida definida como lâmpada-hora.

Em 1872, Samuel Gardiner patenteou o primeiro medidor de energia elétrica,

conhecido como medidor de lâmpada-hora. Este medidor consistia de um

mecanismo eletromagnético que iniciava e parava a marcação de tempo em um

relógio, registrando assim o tempo no qual as lâmpadas permaneciam ligadas. A

Figura 3 nos mostra um desenho deste medidor.

Em 1878, J. B. Fuller desenvolveu um medidor de lâmpada-hora para

corrente alternada. Este medidor consistia em uma armadura vibrando entre duas

bobinas e movimentando o registrador para a marcação de tempo, conforme

ilustrado na Figura 3.

Após a invenção da lâmpada incandescente por Edison em 1879 e a divisão

da iluminação em circuitos com controle individual, tornou-se impraticável a medição

da energia elétrica em lâmpadas-hora, mas a mesma ainda continuou em uso até

1880 com os circuitos de lâmpadas a arco usadas nas ruas.

20

Figura 3 - Medidor de lâmpada-hora de Gardiner e medidor de lâmpada-hora para corrente alternada de Fuller. Fonte: Dahle, 2009.

Em 1882, Edison abriu sua primeira companhia elétrica para a iluminação

incandescente. Inicialmente, a cobrança de energia elétrica adotada por Edison

baseava-se em uma taxa fixa por lâmpada instalada, porém isto era insatisfatório,

então o próprio Edison desenvolveu um medidor de ampere-hora químico (Figura 4),

constituído de duas placas de zinco mergulhadas em uma solução condutora e

conectadas em série com o circuito elétrico do consumidor. As placas eram pesadas

todos os meses, e as medidas do consumo baseavam-se na diferença de peso que

ocorria de um mês para outro. Este medidor era pouco eficiente e sujeito a erros,

mas Edison o preferia devido ao seu interesse em química.

Figura 4 - Medidor de ampere-hora químico de Edison Fonte: Dahle, 2009.

21

Em 1885, George Westinghouse comprou os direitos do transformador

patenteado na Europa por Gaulard e Gibbs. Um de seus funcionários, William

Stanley, refinou o design velho em uma versão comercialmente viável (O professor e

inventor Elihu Thomson já havia desenvolvido um transformador similar por volta de

1879), tornando a transmissão em corrente alternada possível e mais eficiente que a

transmissão em corrente contínua, já que a queda de tensão em linhas de

transmissão longas e a falta de uma maneira de elevar ou rebaixar a tensão

contínua foi o principal motivo. Mas ainda havia um único obstáculo a ser vencido,

não existia um medidor viável á medição de energia alternada.

Foi também em 1885 que Galileo Ferraris fez a descoberta fundamental de

que duas fases alternadas poderiam fazer uma armadura sólida rodar, isto

possibilitou o desenvolvimento dos motores de indução, que foram os precursores

dos medidores de energia elétrica por indução.

Em abril de 1888, Oliver B. Shallenberger e um assistente estavam

trabalhando no desenvolvimento de uma nova lâmpada a arco, nos laboratórios da

Westinghouse, quando uma mola caiu e foi parar em uma saliência perto desta

lâmpada, quando a mesma começou a rodar, Shallenberger decidiu descobrir o

motivo, e descobriu que isto se devia ao campo girante da energia que fluía pela

lâmpada. Shallenberger viu então uma oportunidade e com menos de três semanas

desenvolveu um medidor de ampere-hora para corrente alternada (Figura 5),

colocando no mercado em menos de três meses. Nos 10 anos seguintes foram

vendidos mais de 120.000 destes medidores.

Figura 5 - Medidor de ampere-hora de Shallenberger. Fonte: Dahle, 2009.

22

Em 1889, Thomson apresentou seu Wattímetro Gravador. Este foi

verdadeiramente o primeiro medidor de watt-hora conhecido, e se tornou um

sucesso comercial, sendo adotado em muitas atividades como modelo padrão.

Embora este medidor tenha sido desenvolvido para a medição de energia alternada,

ele também funcionava perfeitamente para a energia contínua ainda em uso neste

tempo.

Em 1892, Thomas Duncan (Que já havia trabalhado com Thomson no

desenvolvimento do Wattímetro Gravador) desenvolveu o primeiro medidor por

indução que usa apenas um disco para ambos os elementos de condução e freio

(até este momento, os medidores usavam discos separados para cada elemento),

porém este modelo nunca foi colocado em produção.

Em 1894, com o rápido crescimento das indústrias de eletricidade, a corrente

alternada estava sendo usada para acionar motores, e os medidores de ampere-

hora e watt-hora existentes estavam incapacitados de efetuar a medição devido à

variação de tensão e ao baixo fator de potência dos circuitos AC (Alternated Current

– Corrente Alternada). Muitos inventores trabalhavam para desenvolver um novo

medidor capaz de efetuar esta medida, mas Shallenberger foi o que mais se

aproximou de um medidor funcional – um pequeno motor de indução com as

bobinas de corrente e tensão defasadas de 90 graus uma da outra. Este conceito foi

refinado no primeiro medidor de watt-hora produzido comercialmente. Este modelo

foi um dos mais pesados (18,6 Kg), e um dos mais caros da época, como mostra a

Figura 6.

Figura 6 - Medidor de watt-hora de Shallenberger Fonte: Dahle, 2009.

23

Em 1899, Paul McGahan, engenheiro da Westinghouse Electric &

Manufacturing Co., anunciou um modelo de medidor polifásico funcional. Dois

medidores monofásicos foram instalados em uma mesma caixa e usavam o mesmo

registrador. Este design foi adotado por todas as companhias e construído de várias

formas até o ano de 1969.

Durante este mesmo ano, a GE (General Electric) introduziu um novo

conceito de medidor. Usualmente, os medidores eram lidos para os consumidores

serem cobrados. Uma nova versão do wattímetro gravador de Thomson, combinado

com um dispositivo externo de pré-pagamento permitiu cobrar adiantado pelo serviço

de energia. Isto evoluiu em uma linha de medidores de corrente contínua e corrente

alternada pré-pagos oferecidos pela GE, Fort Wayne, Westinghouse e mais tarde

pela Sangamo (Empresa criada em 1899 com o intuito de produzir os medidores

desenvolvidos por Ludwig Gutmann). Alguns modelos destes medidores podem ser

vistos na Figura 7.

Figura 7 - Medidor de pré-pagamento oferecido pelas companhias GE, Fort Wayne, Westinghouse e Sangamo na sequência.

Fonte: Dahle, 2009.

Em 1903 a GE lançou o medidor tipo I (Figura 8), o primeiro medidor de watt-

hora para corrente alternada produzido em massa, que foram usados até 1960

(Dahle, 2009). Este modelo também foi considerado o primeiro medidor moderno,

pois possui a maior quantidade de semelhanças com os medidores atuais.

Por volta do ano de 1920, ocorreram vários avanços no design dos

medidores, tais como a introdução das caixas para proteger as conexões dos

medidores; os medidores polifásicos foram reprojetados mudando os terminais da

lateral para o lado de baixo; etc. Além disso, todos os medidores foram reprojetados

para adicionar dois tipos de compensação e melhorar o desempenho.

24

Figura 8 - Medidor tipo I produzido pela GE Fonte: Dahle, 2009.

A compensação de temperatura possibilitou os medidores a manter a

precisão dentro de uma grande faixa de temperaturas. Antes desta compensação,

os usuários podiam ver uma flutuação na precisão de acordo com o clima, exigindo

ajustes no medidor. A compensação de sobrecarga possibilitou o medidor a

trabalhar em uma grande faixa de cargas, e proporcionou precisão de medida nesta

faixa. Antes desta compensação, os medidores de capacidade baixa não

conseguiam medir sobrecargas, enquanto que os medidores de capacidade alta

eram insensíveis a cargas baixas.

Em 1928, a Westinghouse Co. introduziu o primeiro medidor tipo soquete,

como mostra a Figura 9. Conhecido como “OB destacável”, este medidor constituía-

se de uma base fixa para a ligação dos fios, e de um corpo que podia ser

desencaixado desta base, permitindo uma troca rápida e fácil.

Figura 9 - Medidor tipo OB destacável da Westinghouse Fonte: Dahle, 2009.

25

Em 1931 o Código Nacional Elétrico foi revisado, permitindo que o medidor

fosse conectado ao circuito antes das chaves e fusíveis. Esta modificação

possibilitou as concessionárias instalarem os medidores do lado de fora das casas

dos clientes, dificultando os consumidores desonestos em ter contato com a parte da

rede antes dos medidores e possibilitando a leitura do mesmo sem a necessidade de

entrar na casa do cliente.

Na primeira metade da década de 30, os medidores estavam sendo

produzidos sem uma normalização adequada, um mesmo fabricante oferecia

modelos de medidores em diferentes padrões. Isto resultou em um problema para as

concessionárias de eletricidade, pois a troca de um medidor sempre necessitava em

uma mudança na fiação para este medidor. Então em 1934, um comitê com

representantes das fábricas de medidores e com representantes das

concessionárias de eletricidade, elaboraram dois novos designs padrões (tipo S ou

soquete, e tipo A - base, ou conexão por baixo) para a caixa dos medidores. Isto

simplificou a troca dos medidores, que passou a ser feita apenas retirando-se o

medidor antigo para a colocação do novo.

O final da década de 30 viu outra briga por melhorias no design dos

medidores. Os medidores polifásicos (que eram constituídos de dois medidores

monofásicos) foram reprojetados para incorporar um disco laminado, que permitia a

colocação dos estatores destes dois medidores monofásicos lado a lado no medidor

polifásico, sem a interação entre eles. Os medidores polifásicos feitos com base

neste novo design eram apenas um pouco maiores que os medidores monofásicos.

Outra grande mudança foi em resposta ao problema que tornou óbvio em medidores

instalados fora das residências nas áreas rurais. Depois das tempestades elétricas,

alguns medidores começavam a rodar mais rápido devido aos ímãs de freio terem

sido enfraquecidos pelas induções durante a tempestade. Isto foi resolvido trocando

os ímãs de aço cromo por ímãs feitos de Alnico, que seguravam melhor o

magnetismo.

Em 1948, a GE lançou o medidor monofásico I-50, utilizando o princípio da

suspensão magnética, ao invés dos antigos rolamentos e mancais. O mesmo pode

ser visto na Figura 10.

26

Figura 10 - Medidor modelo I-50 da GE Fonte: Dahle, 2009.

O final da década de 50 presenciou outra evolução no design dos medidores,

que foi o abandono da base de metal usada em medidores tipo soquete, para uma

base constituída de vários materiais prensados, além disso, uma melhora nos ímãs

de Alnico foi introduzida, permitindo que os ímãs de freio fossem incorporados na

mesma janela, simplificando o projeto e melhorando a estabilidade de calibração.

No final da década de 60, os medidores de watt-hora monofásicos passaram

por sua última grande mudança: eles foram redimensionados para um baixo perfil,

tornando-os menos evidentes e menos susceptível a quebra. Este

redimensionamento também trouxe outro benefício, os novos modelos ficaram no

mínimo 1/2 quilo mais leve que os outros modelos.

Com o avanço da Eletrônica nos anos 70, os fabricantes começaram a

introduzir os registradores eletrônicos e os dispositivos automáticos de leitura.

Por volta do meio da década de 80, os fabricantes estavam oferecendo

medidores híbridos, com registradores eletrônicos montados em medidores

indutivos.

Por volta do começo da década de 90, os avanços na eletrônica permitiram

aos fabricantes iniciarem a fabricação de medidores completamente eletrônicos, sem

o uso de partes móveis (que permitiam o acesso dos infratores a várias funções nos

medidores). Seguindo a grande aceitação dos novos medidores eletrônicos, os

fabricantes começaram a diminuir a produção dos medidores polifásicos, e tão logo

quanto os medidores monofásicos eletrônicos se tornaram populares e viáveis,

alguns fabricantes descontinuaram a produção dos modelos eletromecânicos

monofásicos.

27

2.3 Princípio de funcionamento do Medidor de Energia Elétrica,

Eletromecânico, Residencial

Também conhecido como medidor tipo indução por apresentar um princípio

de funcionamento idêntico ao de um motor de indução, este tipo de medidor ainda é

hoje o modelo mais utilizado para efetuar a medição de energia elétrica.

Seu princípio de funcionamento baseia-se nas correntes de Foucault

induzidas no disco. A interação eletromagnética entre estas correntes induzidas no

disco e o fluxo magnético que atravessa o mesmo irá produzir uma força, e

consequentemente um conjugado em relação ao eixo do disco, fazendo-o girar.

O medidor tipo indução é constituído basicamente das partes mostradas na

Figura 11.

Figura 11 - Partes constituintes do medidor de energia elétrica. Fonte: Creder, 2002

Base – Constituída de uma liga de ferro fundido. Tem a finalidade de servir de

apoio aos demais componentes e de protegê-los do ambiente externo.

28

Tampa – Constituída de vidro. Tem o objetivo de proteger o interior do

medidor proporcionando uma visão dos seus componentes.

Disco – Feito de alumínio lavrado (esculpido) e com orifícios. É acoplado por

um eixo ao registrador.

Mostrador – Indica a leitura do registrador, bem como sua escala de

grandeza.

Registrador – Registra o consumo de energia elétrica e pode ser de ponteiros

ou de cilindros graduados.

Bobina de potencial – Ligada em paralela a carga. É constituída de um grande

número de espiras de fio fino.

Bobinas de corrente – Ligada em série com a carga. É constituída de algumas

poucas espiras de fio grosso.

Núcleo – Constituído de lâminas de material ferromagnético, justapostas e

isoladas uma das outras, para diminuir as perdas por corrente de Foucault.

Imã – Imã permanente responsável por produzir um conjugado de frenagem

ou de amortecimento no disco.

Compartimento dos bornes – Permite o acesso aos bornes onde são ligados

os cabos de entrada e saída de energia do medidor.

Bornes – Permite a conexão das bobinas de tensão e corrente aos cabos de

alimentação e carga, de forma rápida e fácil.

Parafuso de Ajuste – Utilizado para regulagem do medidor.

As bobinas de corrente e potencial recebem este nome devido ao modo como

são ligadas no medidor, ou seja:

A bobina de potencial é ligada em paralelo com a carga. Deste modo, a

bobina será alimentada com a mesma tensão (potencial) a qual a carga é

alimentada. Sabendo que a impedância da bobina é constante, a corrente que irá

circular pela mesma será proporcional à tensão que lhe é aplicada, ou seja, a tensão

que é aplicada a carga (Figura 12).

A bobina de corrente é ligada em série com a carga. Deste modo, a corrente

que circula por esta bobina é a mesma que circula pela carga (Figura 12).

29

Figura 12 - Circuito magnético do medidor de energia elétrica.

De acordo com o princípio da interação eletromagnética:

Um condutor percorrido por uma corrente , na presença de um campo

magnético , fica submetido a uma força , de sentido dado pela regra da

mão direita e módulo dado pela equação , onde é o

comprimento do condutor sobre ação do campo magnético e é o ângulo

entre o vetor de campo e o vetor de corrente no espaço. (Medeiros

Filho, 1983, pg. 169.)

Sendo assim, quando o fluxo magnético alternado proveniente da bobina de

potencial ( ) atravessar o disco de alumínio, nele irá induzir correntes de Foucault

( ). A interação entre estas correntes de Foucault e o fluxo magnético alternado

proveniente das bobinas de corrente ( ), irá resultar em um par de forças ( ), e

consequentemente, um conjugado em relação ao eixo do disco, fazendo-o girar,

como mostra a Figura 13.

30

Figura 13 - Forças resultantes da interação entre os fluxos e a corrente .

Do mesmo modo, o fluxo magnético alternado proveniente das bobinas de

corrente ( ) irá gerar correntes de Foucault ( ) ao atravessar o disco, e a interação

entre estas correntes e o fluxo magnético alternado proveniente da bobina de tensão

( ), irá resultar em outro par de forças ( ), e consequentemente outro conjugado

motor em relação ao eixo do disco, fazendo-o girar, Conforme ilustra a Figura 14.

Figura 14 - Forças resultantes da interação entre o fluxo e as correntes .

Podemos notar que as forças e atuam na mesma direção e a mesma

distância do centro do disco, resultando assim em um conjugado motor que pode ser

calculado conforme mostrado abaixo.

Onde: é o conjugado motor.

é a soma das forças e .

é a distância do ponto onde atua a força ao centro do disco.

31

Calculando as forças e a partir da corrente que circula pela bobina de

potencial e da corrente que circula pelas bobinas de corrente, consegue-se obter a

equação do conjugado motor a partir dos valores de tensão ( ) e corrente ( ) que a

carga ligada ao medidor está consumindo.

Onde: é uma constante do medidor.

é a tensão ao qual a carga está submetida.

é a corrente que está circulando pela carga.

é o ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão.

Como o disco pode girar em torno de seu eixo, este conjugado irá fazer o

disco girar a uma velocidade proporcional a potência da carga. Ajustando-se o

medidor, pode-se obter uma velocidade na qual o número de rotações dentro de um

intervalo de tempo seja proporcional a energia consumida pela carga durante este

mesmo intervalo de tempo, ou seja, o disco dará um número constante de rotações

por .

Estando o disco ligado ao registrador por um eixo e um sistema mecânico de

engrenagens, o mostrador do instrumento irá exibir a quantidade de energia elétrica

absorvida pela carga em .

2.4 Contexto atual do mercado energético

Nos dias atuais, a maioria dos ramais de ligação das concessionárias

distribuidoras de energia elétrica, estão sendo alocados para atender aos

consumidores residenciais, e em grande parte, a leitura destes medidores é efetuada

mensalmente e de modo não automatizado, por leituristas treinados pelas próprias

concessionárias.

A necessidade de leituras periódicas exige das concessionárias um grande

número de funcionários, e o fato das mesmas serem efetuadas de forma visual,

torna este trabalho propício a erros e muitas vezes impossível de ser efetuado, como

32

nos casos onde estes medidores são instalados no alto de postes, ou no interior das

residências.

Na tentativa de eliminar estes inconvenientes, vários grupos de pesquisa

estão estudando um sistema de leitura automatizada. Alguns grupos focam o

desenvolvimento de um medidor totalmente eletrônico já com os circuitos de

transmissão, enquanto outros grupos focam o desenvolvimento de um circuito

eletrônico acoplável ao medidor e que seria responsável por enviar os dados da

leitura para a central.

Para esta transmissão, as tecnologias mais estudadas se baseiam na

transmissão de dados pela rede elétrica, pela rede de telefonia celular, via Bluetooth,

via rede ZigBee, via Rádio (VHF, FSK, Microondas), via rede Wi-Fi, entre outras.

O método de transmissão de dados pela rede elétrica, denominado PLC

(Power Line Communications), utiliza-se basicamente dos cabos de distribuição de

energia elétrica como meio físico de transmissão de dados. Este método tem a

principal vantagem de contar com uma rede já montada, porém são muitas as

dificuldades encontradas para a implantação deste método, como por exemplo:

A grande atenuação do sinal, devido aos transformadores e acoplamentos de

rede.

A grande taxa de ruído nesta rede, devido a motores, aparelhos domésticos,

etc.

A falta de segurança da rede.

A limitação de banda útil.

O alto custo de desenvolvimento.

Porém, mesmo com todas estas desvantagens, este método já vem sendo

empregado a mais de 30 anos, para a comunicação entre subestações, chaves

seccionadoras, equipamentos de teleproteção, etc.

A transmissão de dados pela rede celular, embora não necessite da

elaboração de uma rede totalmente nova, exigiria das concessionárias um contrato

com uma operadora de telefonia celular. Deste modo, as concessionárias teriam que

pagar por uma largura de banda, que seria utilizada por poucos momentos em um

mês. Sendo assim, este método apresenta uma taxa de manutenção muito elevada,

se comparado aos outros métodos de transmissão de dados.

33

Outra tecnologia que está apresentando grande aceitação no mercado é a

tecnologia Bluetooth. Operando na faixa de Radiofrequência ISM (Industrial,

Scientific, Medical), esta tecnologia está presente em quase todos os aparelhos

eletrônicos desenvolvidos. Embora este padrão apresente grande robustez em

ambientes com alto nível de ruído, ele apresenta uma distância de transmissão

muito baixa (da ordem de algumas dezenas de metros) e um custo de implantação

relativamente elevado.

A transmissão de dados via Rádio é a que apresenta uma maior distância de

comunicação (do ponto de vista das transmissões para automação). Entretanto, é a

tecnologia que sofre a maior taxa de interferências, e seu alto uso com outros

serviços, deixa uma largura de banda no espectro de radiofrequência razoavelmente

pequena para o uso com a automação. Este método de transmissão também exige

que os dispositivos tenham uma certificação específica junto a ANATEL para a sua

devida operação.

O sistema de transmissão de dados Wi-Fi (Wireless Fidelity), é o sistema que

atualmente apresenta a maior demanda por novas tecnologias. Com uma alta taxa

de transmissão de dados e presente na maioria dos notebooks, e em outros

dispositivos como PDA’s (personal digital assistants – assistente pessoal digital),

celulares e smartphones, o Wi-Fi tem seu uso direcionado principalmente para a

internet sendo considerado o sistema do futuro para a transmissão de dados. No

entanto, este sistema ainda não conta com uma rede fechada para a transmissão de

dados, e seus dispositivos apresentam um custo de aquisição ainda elevado.

O padrão de comunicação ZigBee foi criado por um conjunto de empresas

visando eliminar os inconvenientes encontrados nas tecnologias acima descritas.

Seguindo a norma IEEE 802.15.4 homologada em maio de 2003, este padrão foi

desenvolvido como uma alternativa as redes de transmissão que necessitam de uma

baixa taxa de dados e de uma alta robustez.

Baseado em um protocolo de pacote de dados com características

específicas, e operando com uma potência de transmissão razoavelmente baixa,

este sistema se torna o mais indicado nos casos em que se procura uma redução de

custos com a aquisição, instalação e manutenção de equipamentos, e uma maior

flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que podem ser controlados.

Operando na faixa ISM, este padrão de comunicação não requer licença para

seu funcionamento, e devido a seu baixo consumo, ele pode operar com

34

alimentação proveniente de baterias (podendo operar por até seis meses com pilhas

comuns).

Levando em consideração que o projeto proposto neste trabalho necessita de

uma baixa taxa de transmissão, porém com grande robustez e alto desempenho, foi

escolhido a rede ZigBee como padrão de comunicação para o desenvolvimento dos

circuitos aqui propostos.

35

3 METODOLOGIA

O presente trabalho descreverá o estudo e o desenvolvimento de um sistema

wireless de aquisição e transmissão de dados, para ser aplicado à leitura

automatizada de medidores de energia elétrica residenciais, possibilitando efetuar a

leitura de forma remota, reduzindo com isso os custos com a mão de obra

necessária para este serviço.

O trabalho se iniciará com um breve estudo efetuado nos medidores de

energia elétrica residenciais, visando-se estabelecer a forma menos invasiva que

permita uma rápida e fácil instalação dos sensores sem comprometer o correto

funcionamento do equipamento.

Após definido o método de sensoriamento a ser utilizado, iniciar-se-á o

desenvolvimento dos circuitos eletrônicos responsáveis pela aquisição dos dados

provenientes destes sensores e pela transmissão destes dados. Este circuito será

constituído de uma interface RS-232 para ser acoplada a um computador, uma

interface para o módulo de transmissão e recepção de dados e algumas entradas e

saídas digitais para a interface com os sensores e para posteriores funcionalidades

que se queira agregar ao dispositivo.

Em seguida, será efetuada uma análise na pilha do protocolo ZigBee,

disponibilizada pela Microchip, de forma a se definir quais serão as modificações

necessárias para que a mesma atenda as expectativas desejadas para o sistema

desenvolvido.

Finalizando o trabalho, serão efetuados os testes necessários para a

validação do sistema desenvolvido, bem como a correção dos possíveis erros que

possa aparecer.

36

4 DESENVOLVIMENTO

O processo de automação dos medidores de energia elétrica consiste em se

desenvolver um sistema capaz de monitorar e controlar estes medidores. Têm-se

então, na arquitetura deste sistema, uma central de monitoramento e controle,

medidores de energia elétrica e um sistema de transmissão de dados.

Nos dias atuais, a grande maioria dos medidores ainda não dispõe de uma

interface capaz de efetuar sua conexão com a central de monitoramento e controle,

e a substituição de todos estes medidores acarretaria em um grande investimento

por parte das concessionárias. Na tentativa de reduzir este investimento, propõe-se

o desenvolvimento de um dispositivo capaz de estabelecer a comunicação entre

estes medidores e o sistema de monitoramento e controle central. No caso dos

medidores de energia elétrica eletromecânicos residenciais, a aquisição dos dados

referente à leitura necessita de uma interligação entre os componentes mecânicos

oriundos dos medidores, e os componentes eletrônicos pertencentes ao dispositivo

de transmissão. Esta interligação é feita através de sensores acoplados ao medidor.

Neste capítulo serão abordadas as diretivas para o desenvolvimento deste

dispositivo e dos sensores acoplados ao medidor, e também serão abordadas

algumas modificações necessárias para a utilização do protocolo de transmissão

wireless denominado ZigBee na transmissão destes dados.

4.1 Desenvolvimento dos sensores a serem acoplados ao medidor

A transmissão dos dados referentes à leitura dos medidores não seria

possível sem a digitalização dos mesmos. Para esta digitalização, foram

desenvolvidos sensores capazes de efetuar a conversão do consumo de energia

elétrica, em sinais digitais pulsados compatíveis com a entrada digital de um

microcontrolador.

O presente projeto utilizou um medidor de energia elétrica, eletromecânico,

residencial, monofásico, marca Nansen, modelo M-1A, n° de série 4330870, corrente

37

máxima de 100A, tensão nominal de 120V, frequência nominal de 60Hz, constante

do disco (Kd) de 1,8 Wh/r (Watts Hora por revolução do disco), como mostra a

Figura 15. Sendo assim, os sensores aqui descritos foram desenvolvidos para este

medidor, podendo haver incompatibilidade dos mesmos com outros modelos de

medidores.

Figura 15 - Medidor de Energia Elétrica

Conforme visto anteriormente, o consumo de energia elétrica é registrado

pelo número de rotações dadas pelo disco de alumínio. Deste modo, podemos

adicionar os sensores para efetuar a contagem destas rotações. Porém, para que

38

este sensoriamento seja considerado eficiente, o mesmo não pode acarretar

interferências ao medidor e deve apresentar grande precisão quanto aos dados por

ele coletados.

A utilização de sensores ópticos é a que apresenta melhor desempenho para

este tipo de sensoriamento, pois os mesmos apresentam grande precisão, são de

fácil montagem e não causam interferência ao disco de alumínio. O inconveniente é

que eles devem estar sempre bem alinhados para seu perfeito funcionamento.

Os sensores ópticos são formados por dois elementos, sendo um elemento o

emissor óptico e o outro elemento o receptor óptico. Seu funcionamento consiste em

direcionar o feixe de luz proveniente do emissor diretamente no receptor. A saída do

receptor é atuada sempre que ele recebe o feixe de luz do emissor.

Analisando o medidor de energia elétrica, verifica-se que o disco de alumínio

possui dois furos distanciados igualmente do centro, deslocados de 180°. Desta

forma, o emissor óptico foi acomodado de um lado do disco, e o receptor óptico do

outro lado do disco, ambos em alinhamento com os furos existentes, sendo que a

cada vez que um furo passe entre os componentes do sensor óptico, a luz

proveniente do emissor passe pelo furo atingindo o receptor e gerando um pulso em

sua saída.

Para os emissores ópticos, foram utilizados diodos emissores de luz

infravermelha, que tem como característica principal emitir luz infravermelha quando

corretamente polarizados e alimentados por uma fonte de energia.

Para os receptores ópticos, foram utilizados fototransistores sensíveis à luz

infravermelha, que tem como característica principal mudar sua saída de um estado

de não condução (quando não há luz infravermelha incidindo em sua janela de

fotodetecção) para um estado de condução (quando há incidência de luz

infravermelha em sua janela de fotodetecção).

Os sensores infravermelhos são os mesmos utilizados em controle remoto de

televisores e aparelhos de som. Optou-se pela utilização destes tipos de sensores,

mediante ao fato dos mesmos serem pouco sensíveis à variação da iluminação

ambiente.

De posse dos sensores escolhidos, analisou-se novamente o medidor de

forma a definir o local onde estes iriam ser fixados. No lado esquerdo do medidor,

tem-se um ressalto onde se aloca o imã de freio do disco e o parafuso de ajuste do

medidor, como se pode ver na Figura 16.

39

Figura 16 - Local para instalação dos sensores.

Um suporte em formato de “C” foi confeccionado de forma a envolver este

ressalto possibilitando a colocação dos emissores e dos receptores neste mesmo

suporte, garantindo o perfeito alinhamento dos mesmos. Desta forma, a instalação

destes sensores torna-se rápida e fácil, sem afetar o correto funcionamento do

medidor.

Para a confecção do suporte foram efetuadas as devidas medições do

ressalto do medidor onde o mesmo será fixado e elaborado um desenho prévio,

como pode ser visto na Figura 17.

40

Figura 17 – Esquema do suporte dos sensores ópticos.

Os furos foram feitos com o mesmo diâmetro dos sensores que serão

embutidos, garantindo assim sua proteção contra possíveis interferências devido à

iluminação externa. Observamos também que o suporte foi elaborado de modo a

abrigar dois conjuntos de sensores, ao qual o motivo será explicado mais a frente.

O suporte foi confeccionado em uma placa de nylon industrial com as

seguintes medidas: 50 mm de comprimento, 50 mm de largura e 20 mm de altura.

Após sua confecção, o suporte passou por alguns ajustes de modo a se encaixar

perfeitamente no medidor, como por exemplo, um leve arredondamento do canto

inferior esquerdo para permitir o correto encaixe da tampa de proteção do medidor.

O resultado final obtido pode ser visto na Figura 18.

41

Figura 18 - Suporte dos sensores ópticos.

Nos sensores ópticos, quando ocorre a transição do estado de condução para

o estado de não condução ou vice-versa, é comum o aparecimento de um efeito

transiente conhecido por efeito bounce, que são oscilações de borda, muito comum

em contatos mecânicos (Figura 19). Sendo assim, este efeito pode gerar vários

picos entre o estado de condução e o de não condução para uma única mudança de

estado, ou seja, na eminência do acionamento, são gerados na saída do sensor,

vários pulsos, que podem ser interpretados de forma errada pelos circuitos

microprocessados.

Figura 19 – Efeito Bounce.

42

Na prática existem vários métodos de debounce, ou seja, métodos utilizados

para eliminar estas oscilações de borda, sendo o mais comum a marcação de um

tempo entre uma mudança de estado e outra, ou seja, ao ocorrer uma mudança de

estado, o microprocessador aguarda um determinado tempo ( ) para aceitar uma

nova mudança de estado (Figura 20).

Figura 20 – Debounce através da espera de um determinado tempo ( )

No caso dos medidores de energia elétrica, o disco de alumínio gira com uma

velocidade variável, de acordo com a energia consumida. Sendo assim, esta

marcação de tempo se torna ineficiente, pois seriam necessários tempos diferentes

para velocidades diferentes do disco. Isto ocorre devido ao fato de ao adotarmos um

maior, o mesmo pode vir a causar a perda de uma transição caso o disco esteja

rodando em uma velocidade alta, e caso adotemos um menor, o mesmo pode

não ser suficiente para eliminar o debounce quando o disco estiver rodando com

velocidade baixa (Figura 21).

Figura 21 – Erro de debounce devido a velocidade variável.

Neste caso, podemos eliminar o efeito bounce com a utilização de dois

conjuntos de sensores atuando um flip-flop tipo D com preset e clear (74HC74).

Desta forma, o primeiro sensor é ligado no pino de preset, colocando a saída do flip-

flop em nível alto quando é atuado, e o segundo sensor é ligado no pino de clear,

colocando a saída do flip-flop em nível baixo quando é atuado.

43

Como os sensores serão atuados pelo mesmo furo, porém em posições

diferentes, ao ocorrer o primeiro pico na saída do sensor, este efetuará a mudança

de estado da saída do flip-flop, que apenas mudará de estado novamente ao

receber o primeiro pico da saída do outro sensor, conforme ilustra a Figura 22.

Figura 22 – Debounce usando dois sensores para atuar um Flip-Flop tipo D.

Deste modo, pode-se elaborar o circuito responsável pelo sensoriamento dos

medidores. Foi polarizado o fototransistor em sua configuração de coletor comum,

ou seja, com o resistor colocado no terminal de coletor, para quando o mesmo for

atuado e entrar em modo de saturação, obter-se aproximadamente 0V em seu

coletor (nível lógico “0”), e quando ele estiver em modo de corte, ou seja, quando

não estiver atuado, obter-se em seu coletor aproximadamente 5V (nível lógico “1”).

O circuito pode ser visto na Figura 23.

Figura 23 - Circuito do receptor.

44

Foi utilizada esta configuração para o circuito do fototransistor devido ao Flip-

Flop possuir Preset e Clear acionados em nível lógico “0”. Utilizou-se resistores de

220 ohms para efetuar a polarização dos diodos emissores e dos fototransistores.

De posse do circuito, pode-se montar a placa de circuito impresso (Figura 24),

onde serão soldados os resistores e o Flip-Flop. Nesta placa também será

adicionado um conector para ligação com os circuitos referentes ao transmissor de

dados. Neste conector tem-se os pinos de alimentação do circuito (5 Vcc) e a saída

do Flip-Flop, que será a saída pulsada referente ao consumo de energia elétrica do

medidor.

Figura 24 - Placa de circuito impresso dos sensores.

Com os sensores elaborados, pode-se definir uma relação entre os pulsos de

saída deste circuito sensor e a quantidade de Watts/hora registrada pelo medidor.

Sabe-se que o número de rotações dadas pelo disco de alumínio possui uma

relação linear com a quantidade de Watts/hora registrada pelo medidor (Kd).

Considerando que o medidor possui dois furos em seu disco, tem-se então metade

deste valor por pulso gerado pelos sensores.

No medidor utilizado para os testes, tem-se que esta relação é de 1,8 Watts

Hora por revolução. Deste modo, tem-se 0,9 Watts Hora por pulso gerado pelos

sensores.

4.2 Protocolo ZigBee.

O protocolo ZigBee é um protocolo de rede wireless desenvolvido para

sensores de baixa taxa de transferência de dados e redes de controle, podendo

45

beneficiar um grande número de aplicações, tais como: redes de automação

industrial, sistemas de segurança residencial, redes de controle predial, medição

remota e periféricos de computadores (Lattibeaudiere).

Para seu estudo, vamos utilizar o Kit de desenvolvimento FBee (Figura 25),

desenvolvido pela Fractum Indústria e Comércio de Equipamentos Eletrônicos

LTDA.

Figura 25 - Kit de desenvolvimento FBee. Fonte: ANFBee.

O kit é composto de duas placas de aplicação, cada uma contendo:

Um microcontrolador PIC18LF4620, com cristal de 4 MHz.

Dois leds ativados pelos pinos RA0 e RA1 do microcontrolador,

respectivamente.

Duas chaves push button conectadas ao microcontrolador nos pinos RB4

e RB5, respectivamente.

Uma chave de reset conectada ao pino MCLR do microcontrolador.

Um conector de gravação ICSP (In-Circuit Serial Programming) padrão

Microchip.

Um conector DB-9 com interface RS-232.

Um módulo transceiver FBee.

46

Todos os pinos de entrada e saída do microcontrolador disponíveis ao

usuário.

Adaptador para bateria de 9Vdc, com a alimentação externa podendo

variar de +5Vdc a +16Vdc.

O módulo transceiver FBee (Figura 26) é baseado no chipset MRF24J40 da

Microchip, operando na frequência de 2,4 GHz, compatível com o padrão IEEE

802.15.4 e com os protocolos ZigBee e MiWi.

Figura 26 - Módulo tranceiver FBee. Fonte: ANFBee.

O Kit de desenvolvimento FBee foi desenvolvido baseado no kit de

desenvolvimento PICDEM Z Demonstration Board da Microchip. Por este motivo,

pode-se utilizar a pilha de protocolo ZigBee fornecida pela Microchip, sem a

necessidade de se efetuar qualquer modificação.

A pilha do protocolo ZigBee, fornecida pela Microchip, é escrita em linguagem

de programação C, seguindo as especificações do protocolo IEEE 802.15.4-2003,

com cada camada do protocolo escrita em seu próprio arquivo, sendo as funções da

pilha implementadas através de funções Primitives. Esta pilha é desenvolvida para

funcionar nos microcontroladores PIC® da Microchip, podendo ser gravado na

memória interna do microcontrolador ou em uma memória não volátil.

A Microchip disponibiliza também uma pilha de demonstração deste

protocolo, já com algumas funções implementadas para ser utilizada com os Kits de

desenvolvimento PICDEM Z e Explorer 16 Platform, ambos utilizando o transceiver

MRF24J40 e os microcontroladores PIC 18F4620 e PIC 24F, todos da Microchip.

O protocolo ZigBee utiliza a especificação IEEE 802.15.4-2003 em sua

camada de acesso ao meio (MAC) e camada física (PHY), onde são definidas três

47

bandas de frequência de operação e 26 canais, com a taxa de bits do protocolo

variando de acordo com a frequência de operação.

868 MHz – 1 canal (canal 0) – 20 KBps.

915 MHz – 10 canais (canal 1 ao 10) – 40 Kbps.

2.4 GHz – 16 canais (canal 11 ao 26) – 250 KBps.

A especificação IEEE 802.15.4 define dois tipos de dispositivo:

Dispositivo FFD (Full Function Device – Dispositivo de Funções

Completas) – o FFD é carregado com todas as funções do protocolo e

deve obrigatoriamente ficar ligado, para permitir o perfeito funcionamento

da rede. Por este motivo, o dispositivo FFD deve ser alimentado por uma

fonte.

Dispositivo RFD (Reduced Function Device – Dispositivo de Funções

Reduzidas) - o RFD é carregado com o mínimo de funções necessárias para

o seu funcionamento e pode permanecer a maior parte do tempo desligado,

ligando de tempos em tempos para transmitir e receber alguns dados,

podendo ser alimentado por uma bateria.

Já o protocolo ZigBee define 3 tipos de dispositivos:

Coordinator (Coordenador) – dispositivo responsável por formar a rede, alocar

os endereços da mesma e permitir a entrada de outros dispositivos nesta rede.

É permitida a presença de apenas um coordinator na rede, e este deve ser um

dispositivo FFD.

Router (Roteador) – é um dispositivo opcional a rede, utilizado para

estender a rede por uma distância maior, e permitir a entrada de mais

dispositivos a esta rede. Opcionalmente o router pode executar funções de

monitoramento e/ou controle. Não existe um número limite de dispositivos

router que podem ser agregados a uma rede, e estes dispositivos devem

exclusivamente ser dispositivos FFD.

End Device (Dispositivo Final) – é um dispositivo capaz de efetuar funções de

monitoramento e controle, utilizado para monitorar e controlar os aparelhos ao

qual a rede está destinada. Não há um número limite de dispositivos End

48

Devices que podem ser acrescidos à rede, e os mesmos podem ser tanto um

dispositivo FFD, quanto um dispositivo RFD.

O protocolo ZigBee pode assumir vários tipos de topologia de rede, sendo

que em todas elas devem haver no mínimo dois dispositivos, um nó coordinator e

um nó end device.

As 3 topologias de rede mais utilizadas são:

Topologia Estrela (Star) - consiste de um nó coordinator e um ou mais nós

end devices. Em uma rede estrela, todos os end devices comunicam apenas

com o coordinator, sendo que se um end device necessitar comunicar com

outro end device, o mesmo deve transferir os dados para o coordinator para

que este repasse para o end device de destino. O diagrama da topologia

estrela pode ser visto na Figura 27.

Figura 27 - Topologia estrela.

Fonte: LATTIBEAUDIERE.

Topologia Árvore (Cluster Tree) - é um avanço da topologia estrela, onde são

adicionados dispositivos routers que se comunicam com o coordinator,

permitindo aumentar o número de nós que podem ser adicionados a rede.

Desta forma, um nó pode se ligar a rede através do router, porém um

dispositivo ligado ao router não pode se comunicar diretamente com o

coordinator, mas apenas por intermédio do router ao qual está ligado. A

topologia árvore pode ser vista na Figura 28.

49

Figura 28 - Topologia árvore. Fonte: LATTIBEAUDIERE.

Topologia MESH - similar a topologia árvore, sendo que a única mudança

é que na rede MESH, os dispositivos FFD´s podem se comunicar uns com

os outros, independentes de seguir a estrutura da rede, mas os RFD´s

devem obrigatoriamente se comunicar com os Coordinator’s ou Router’s

aos quais estão conectados. A vantagem desta topologia é que o tempo

de latência das mensagens pode ser reduzido, e os nós ficam menos

propícios a falhas. A Figura 29 ilustra esta topologia.

Figura 29 - Topologia MESH. Fonte: LATTIBEAUDIERE.

A pilha de demonstração do protocolo ZigBee pode ser baixada diretamente

do site da Microchip (www.microchip.com), sem custos. A mesma é disponibilizada

50

em um arquivo executável, que instala os arquivos da pilha em um conjunto de

pastas, como pode ser visto na Figura 30. Nesta figura temos também a organização

da pilha ZigBee na janela de projeto do software MPLAB IDE, utilizado para a

compilação dos programas e gravação dos microcontroladores PIC.

Figura 30 - Pilha de demonstração do protocolo ZigBee.

51

Analisando estes arquivos, pode-se ver que a pilha de demonstração do

protocolo ZigBee é composta de 24 arquivos (todos com os nome iniciado pela letra

“z”, de forma a diferenciá-los dos demais arquivos de configuração do

microcontrolador), sendo que estes arquivos são comuns a todas as aplicações e

que cada arquivo responde por uma camada do protocolo, ou seja, o arquivo

“zAPL.h” responde pela camada de aplicação, os arquivos “zAPS.c” e “zAPS.h”

respondem pela subcamada de suporte ás aplicações, os arquivos “zMAC.h” e

“zPHY.h” respondem pelas camadas MAC e PHY respectivamente, etc. A arquitetura

do protocolo ZigBee com suas respectivas camadas pode ser visto na Figura 31.

Figura 31 - Camadas do protocolo ZigBee. Fonte: LATTIBEAUDIERE.

A pilha de demonstração do protocolo ZigBee possui seis projetos

direcionados a duas famílias de microcontroladores, os microcontroladores da

família PIC18F e os microcontroladores da família PIC24F. Cada família de

52

microcontrolador possui 3 projetos, cada um direcionado a um tipo de dispositivo: um

dispositivo Coordinator, um dispositivo Router e um dispositivo RFD (end device).

Visto que neste projeto esta sendo utilizando o kit de demonstração FBee,

que possui um microcontrolador PIC18F4620, será descrito então os projetos

direcionados a família PIC18F, que são:

DemoPIC18Coordinator – Projeto direcionado ao dispositivo coordenador

da rede.

DemoPIC18Router – Projeto direcionado aos dispositivos roteadores da

rede.

DemoPIC18RFD – Projeto destinado aos dispositivos end devices da rede.

Embora todos os arquivos sejam abertos a modificações, estas serão

efetuadas apenas no arquivo principal de cada projeto. Cada projeto possui um

arquivo principal de mesmo nome do projeto, como por exemplo, o projeto

“DemoPIC18Coordinator” possui o arquivo principal “Coordinator.c”. Estes arquivos

principais possuem a seguinte arquitetura de programação:

Inicio do programa;

Configuração do dispositivo;

Declaração das constantes e variáveis utilizadas no programa;

Início da aplicação;

o Inicialização do Watchdog;

o Inicialização dos dispositivos de hardware;

o Inicialização da pilha ZigBee;

o Processamento do programa;

Processamento da função Primitive corrente;

Determinação da próxima função Primitive;

Execução das funções não relacionas a pilha ZigBee;

o Fim do processamento do programa.

Fim da aplicação;

Funções Primitives;

Funções não - ZigBee;

O protocolo ZigBee é executado através de suas funções Primitives, que são

utilizadas para a formação da rede e/ou ingresso em uma rede já formada,

53

descoberta de rotas de acesso aos dispositivos, envio e recebimento de dados, etc.

Algumas das funções Primitives declaradas na pilha de demonstração do protocolo

ZigBee, bem como as respostas destas funções, podem ser vistas na tabela

apresentada na Figura 32.

Figura 32 - Funções Primitives e suas respostas. Fonte: LATTIBEAUDIERE

Para o projeto, as únicas alterações necessárias são no envio e recebimento

de dados. Para isso, vamos utilizar a função Primitive “APSDE_DATA”, que é

utilizada para efetuar o envio e o recebimento dos dados entre os dispositivos da

rede.

54

O envio de dados é efetuado carregando o vetor de dados através da função:

TxBuffer[TxData++] = “dado a ser transmitido”;

Após isto, configuram-se os dados referentes ao dispositivo de destino:

params.APSDE_DATA_request.DstAddress.ShortAddr.v[1] = GetMACByte();

params.APSDE_DATA_request.DstAddress.ShortAddr.v[0] = GetMACByte();

params.APSDE_DATA_request.RadiusCounter = DEFAULT_RADIUS;

params.APSDE_DATA_request.DiscoverRoute=ROUTE_DISCOVERY_SUPPRESS;

params.APSDE_DATA_request.TxOptions.bits.acknowledged = 1;

params.APSDE_DATA_request.SrcEndpoint = 1;

params.APSDE_DATA_request.DstEndpoint = 240;

params.APSDE_DATA_request.ProfileId.Val = 0x7f01;

params.APSDE_DATA_request.ClusterId.Val = “função implementada”;

A função “params.APSDE_DATA_request.DstAddress” é utilizada para indicar

o endereço do dispositivo de destino, e a função “GetMACByte()” é utilizada para

efetuar a captura do endereço de destino a partir da porta serial do dispositivo.

A função “params.APSDE_DATA_request.RadiusCounter” é utilizada para

indicar o número máximo de saltos (retransmissões entre os dispositivos) que pode

ocorrer até o dispositivo destino.

A função “params.APSDE_DATA_request.DiscoverRoute” é utilizada para

habilitar ou desabilitar a descoberta de rotas entre os dispositivos que estão se

comunicando.

A função “params.APSDE_DATA_request.TxOptions.bits.acknowledged” é

utilizada para requerer uma confirmação de recebimento dos dados.

As funções “params.APSDE_DATA_request.SrcEndpoint” e

“params.APSDE_DATA_request.DstEndpoint” são utilizadas para indicar os

endereços individuais referentes aos dispositivos que estão se comunicando.

A função “params.APSDE_DATA_request.ProfileId.Val” é utilizada para

identificar o perfil de comunicação a ser utilizado.

A função “params.APSDE_DATA_request.ClusterId.Val” é utilizada para

identificar a função de grupo que está sendo utilizada.

55

Após carregado o vetor de dados e configurado o endereço de destino do

dispositivo, efetuamos a transmissão chamando a função Primitive através do

comando:

currentPrimitive = APSDE_DATA_request;

O recebimento de dados é efetuado pela leitura da função Primitive

“APSDE_DATA_indication:” que retorna o número “1” quando o dispositivo recebeu

algum dado.

Desta forma, podemos montar uma lógica para efetuar uma tarefa quando

houver o recebimento de dados, como por exemplo:

case APSDE_DATA_indication:

{

WORD_VAL clusterID=params.APSDE_DATA_indication.ClusterId;

switch( clusterID.Val )

{

case “função implementada”

{

//efetua uma tarefa

}

}

}

Esta lógica funciona do seguinte modo: quando há o recebimento de dados, o

dispositivo verifica a função de grupo que a mensagem está requerendo e efetua a

tarefa referente a esta função.

Estas alterações deverão ser efetuadas nos programas dos dispositivos

Coordinator e RFD, não sendo necessárias mudanças no dispositivo Router, visto

que este dispositivo tem por função apenas retransmitir os dados que recebeu.

Sendo assim, serão feitas modificações no programa do dispositivo

Coordinator de forma a possibilitá-lo efetuar a requisição dos dados referentes à

leitura do medidor e apresentar estes dados através da porta serial, bem como

enviar um comando para ligar ou desligar a saída do medidor.

Começa-se por adicionar mais um item ao menu já existente na pilha de

demonstração do protocolo ZigBee.

56

/* Menu System */

ROM char * const menu =

"\r\n 1: Enable/Disable Joining by Other Devices"

"\r\n 2: Request Data From Another Device"

"\r\n 3: Request Data From a Group of Devices"

"\r\n 4: Send Data To Another Device"

"\r\n 5: Send Data To a Group of Devices"

"\r\n 6: Add/Remove Device to/from a Group"

"\r\n 7: Dump Neighborhood Information"

//***********************************************************

"\r\n 8: Funcoes de Leitura do Medidor"

//***********************************************************

;

Após isto, programam-se as funções que serão executadas a partir deste

novo item.

void ProcessMenu( void )

{

BYTE c;

DISABLE_WDT();

/* Get the user's input from the keyboard. */

c = ConsoleGet();

ConsolePut( c );

switch (c)

{

.

.

.

//**************************************************************

/* Funções do Medidor*/

case '8':

printf("\r\n 1 - Efetuar a Leitura do Medidor");

57

printf("\r\n 2 - Ligar a Saida do Medidor");

printf("\r\n 3 - Desligar a Saida do Medidor");

while( !ConsoleIsGetReady());

c = ConsoleGet();

ConsolePut( c );

switch (c)

{

case '1': /* Efetuar a Leitura do Medidor */

TxBuffer[TxData++] = 0x00;

ZigBeeBlockTx();

params.APSDE_DATA_request.DstAddrMode=APS_ADDRESS_16_BIT;

printf("\r\nShort address of device: ");

params.APSDE_DATA_request.DstAddress.ShortAddr.v[1]=GetMACByte();

params.APSDE_DATA_request.DstAddress.ShortAddr.v[0]= GetMACByte();

params.APSDE_DATA_request.RadiusCounter=DEFAULT_RADIUS;

params.APSDE_DATA_request.DiscoverRoute=

ROUTE_DISCOVERY_SUPPRESS;

#ifdef I_SUPPORT_SECURITY

params.APSDE_DATA_request.TxOptions.Val = 1;

#else


#endif





params.APSDE_DATA_request.ClusterId.Val = 0X0099;


break;

case '2': /* Ligar a Saida do Medidor */


ZigBeeBlockTx();

58










#else


#endif





params.APSDE_DATA_request.ClusterId.Val = 0x0098;


break;

case '3': /* Desligar a Saida do Medidor */


ZigBeeBlockTx();










#else


59

#endif







break;

}

break;

break;

//**********************************************************************************

default:

break;

}

Podemos observar que as funções implementadas neste menu não estão

enviando dados, mas apenas requisitando ao dispositivo de destino que efetue uma

função de grupo, de acordo com o número que foi enviado através do comando

“params.APSDE_DATA_request.ClusterId.Val”.

As funções de grupo que estão sendo chamadas e os valores atribuídos às

mesmas são:

Ler medidor: 0x0099;

Ligar a saída do medidor: 0x0098;

Desligar a saída do medidor: 0x0097;

É muito importante guardar estes números, pois os mesmos deverão ser

utilizados no programa do dispositivo RFD.

Também deve-se implementar uma função para receber os dados referentes

a leitura do medidor, tratá-los e apresentá-los pela saída serial.


{

.

60

.

.

default:

//In this example every endpoint except Endpoint EP_ZDO is processed here

{

BYTE i;

BYTE frameHeaderIndex = TxData;

WORD_VAL clusterID = params.APSDE_DATA_indication.ClusterId;

frameHeader = 1;

for(transaction=0; transaction<frameHeader; transaction++)

{

BYTE PacketLen;

BYTE transactionNumber;


{

//**********************************************************************************

case 0x0096: //Enviando Leitura

{

int LEITURA, Wh, AUX1, AUX2, AUX3;

LEITURA = APLGet();

LEITURA = APLGet();

printf("\r\nLeitura do Medidor ");

PrintChar(params.APSDE_DATA_indication.SrcAddress.ShortAddr.byte.MSB);

PrintChar(params.APSDE_DATA_indication.SrcAddress.ShortAddr.byte.LSB);

printf(" = ");

Wh = ( LEITURA * 0.9 );

AUX1 = ( Wh / 10 );

AUX2 = ( AUX1 * 6 );

AUX3 = ( Wh + AUX2 );

PrintChar ( AUX3 );

printf(" Wh \r\n");

}

break;

//**********************************************************************************

61

Pode-se observar que os dados após serem recebidos passam por uma série

de cálculos. Estes cálculos têm por função converter o número de pulsos gerados

pelos sensores na correspondente quantidade de Watts Hora consumida, e

converter estes números do formato hexadecimal utilizado na transmissão para o

formato decimal utilizado na apresentação dos dados pela saída serial.

Efetuadas as modificações no programa do dispositivo Coordinator, deve-se

efetuar as modificações no programa do dispositivo RFD de forma ao mesmo

reconhecer as funções que estão sendo evocadas pelo dispositivo Coordinator.

Primeiramente deve-se tratar as 3 funções de grupo que foram

implementadas possibilitando ao dispositivo enviar a leitura e ligar ou desligar a

saída do medidor.


{

.

.

.

default:

{

WORD_VAL clusterID = params.APSDE_DATA_indication.ClusterId;

frameHeader = 1;

for(transaction=0; transaction<frameHeader; transaction++)

{

BYTE PacketLen;

BYTE transactionNumber;


{

//**************************************************************************

case 0x0098: //Ligar a Saida

{

LATAbits.LATA2 = 1;

printf("\r\nSaida Ligada\r\n");

}

break;

62

case 0x0097: //Desligar a Saida

{

LATAbits.LATA2 = 0;

printf("\r\nSaida Desligada\r\n");

}

break;

case 0x0099: //Ler Medidor

{

printf("\r\n Enviando a Leitura!\r\n");

TxBuffer[TxData++]= 0;

TxBuffer[TxData++]= MEMORIA_MEDIDOR;

/* don't bother sending data to myself */

if(params.APSDE_DATA_indication.SrcAddress.ShortAddr.Val==(macP

IB.macShortAddress.Val))

{

APSDiscardRx();

currentPrimitive = NO_PRIMITIVE;

break;

}

/* package and send response */

ZigBeeBlockTx();

params.APSDE_DATA_request.DstAddrMode=params.APSDE_DATA_

indication.SrcAddrMode;

params.APSDE_DATA_request.DstAddress.ShortAddr=params.APSD

E_DATA_indication.SrcAddress.ShortAddr;


params.APSDE_DATA_request.DiscoverRoute=ROUTE_DISCOVERY

_SUPPRESS;



#else


63

#endif

i = params.APSDE_DATA_indication.SrcEndpoint;

params.APSDE_DATA_request.SrcEndpoint=params.APSDE_DATA_i

ndication.DstEndpoint;

params.APSDE_DATA_request.DstEndpoint = i;



}

//**********************************************************************************

Observa-se que quando o dispositivo receber uma mensagem com uma das

funções de grupo implementadas no programa do dispositivo Coordinator, ele irá

efetuar a tarefa correspondente a este número. A primeira tarefa implementada

(0x0098) é utilizada para ligar a saída do medidor. A segunda tarefa implementada

(0x0097) é utilizada para desligar a saída do medidor, e a terceira tarefa

implementada (0x0099) é utilizada para enviar os dados referentes à leitura do

medidor. Na terceira tarefa estamos enviando o conteúdo de uma variável

denominada “MEMORIA_MEDIDOR”, que é a variável onde são somados os pulsos

gerados pelos sensores.

Esta variável deve ser declarada no começo do programa, como uma variável

global, possibilitando a sua utilização pelas diversas funções do programa.

//******************************************************************************

int MEMORIA_MEDIDOR = 0;

//******************************************************************************

/* Menu System */

.

.

.

Finalmente, implementa-se a função responsável pela aquisição dos pulsos

provenientes dos sensores. Para esta função, utiliza-se um pino de entrada do

microcontrolador, que possui a característica denominada “interrupção externa”.

64

void UserInterruptHandler(void)

{

// *************************************************************************

// Place any application-specific interrupt processing here

// *************************************************************************

if (INTCON3bits.INT1IF == 1)

{

MEMORIA_MEDIDOR++;

printf("\r\nRecebido Pulso do medidor\r\n");

INTCON3bits.INT1IF = 0;

}

//**********************************************************************************

Desta forma, sempre que houver uma mudança do nível lógico “0” para o

nível lógico “1” na entrada deste pino, o programa carregado no microcontrolador irá

adicionar mais um pulso a variável “MEMORIA_MEDIDOR”.

Estas são as modificações necessárias para que os dispositivos possam

efetuar as funções de leitura e transmissão de dados.

4.3 Desenvolvimento do dispositivo de aquisição e transmissão de dados.

O dispositivo de aquisição e transmissão de dados tem por função atuar como

uma interface entre o medidor de energia elétrica e o sistema de monitoramento e

controle central. Este dispositivo é responsável por efetuar a leitura dos sensores

instalados no medidor e transmitir estes dados através de uma rede de

comunicação, bem como receber os dados provindos da rede de comunicação e

executar alguma tarefa correlacionada a estes dados.

Para proporcionar a utilização da pilha de demonstração do protocolo ZigBee

sem a necessidade de muitas alterações, o circuito eletrônico deste dispositivo de

aquisição e transmissão de dados será baseado no circuito eletrônico do kit de

desenvolvimento PICDEM Z, com a adição de uma entrada digital para receber o

65

sinal proveniente dos sensores, e de uma saída digital para comandar um dispositivo

externo.

O circuito eletrônico do Kit de desenvolvimento PICDEM Z possui em sua

arquitetura várias funções que o habilitam ao desenvolvimento de sistemas para

comunicação wireless. Este kit é baseado no microcontrolador PIC 18F4620 e no

transceptor MRF 24J40, utilizado para comunicação wireless padrão IEEE 802.15.4.

O circuito possui também:

Uma saída serial, com conector DB-9, utilizado para a comunicação serial

entre o microcontrolador e o computador;

Um conector de programação in-circuit, utilizado para carregar o programa

do microcontrolador sem a necessidade de retirá-lo da placa de

desenvolvimento;

Um push-button ligado ao pino de reset do microcontrolador, possibilitando

reiniciar o programa carregado neste microcontrolador.

Dois LEDs e dois push-buttons ligados aos pinos do microcontrolador,

para serem usados no desenvolvimento do programa de aplicação do Kit .

Para a comunicação com os sensores instalados no medidor de energia

elétrica, é adicionado a este circuito uma entrada digital conectada a um pino do

microcontrolador, que possui uma função denominada de interrupção externa. Esta

função tem por característica permitir o reconhecimento de qualquer alteração de

nível lógico no pino ao qual está relacionada, garantindo assim que o

microcontrolador irá efetuar a correta aquisição dos pulsos gerados pelos sensores.

Para possibilitar ao circuito comandar um dispositivo externo, também será

acrescida ao mesmo uma saída digital. Esta saída digital poderá ser utilizada para

comandar um rele ligado em série com o circuito elétrico do consumidor de energia

elétrica, permitindo assim a execução do corte e religamento da energia elétrica

deste consumidor de forma remota.

O circuito eletrônico, com suas devidas modificações pode ser visto na Figura 33.

66

Figura 33 - Circuito eletrônico do dispositivo de interface.

O circuito eletrônico é basicamente todo alimentado por uma tensão contínua

de 3,2Vcc, com exceção do CI MAX232, que é alimentado por uma tensão contínua

de 5Vcc.

Para a execução dos devidos testes, este circuito foi montado em um

protoboard, como mostra a Figura 34.

Figura 34 - Circuito montado em protoboard.

67

4.4 Testes efetuados com os protótipos

Após o desenvolvimento dos sensores e do circuito de aquisição e

transmissão de dados, os mesmos foram colocados em teste, efetuando-se assim

uma avaliação de seus funcionamentos.

O primeiro teste efetuado foi para verificar o correto funcionamento dos sensores

desenvolvidos. Para isto, os mesmos foram ligados a uma fonte de tensão de 3,2Vcc,

com sua saída ligada a um Led. Com este teste, verificou-se que os sensores emitem

um pulso limpo (sem o efeito Bounce) a cada passagem do furo contido no disco de

alumínio do medidor. Esta montagem pode ser vista na Figura 35.

Figura 35 - Teste dos sensores acoplados ao medidor.

68

O segundo teste efetuado, foi para verificar o correto funcionamento do

protocolo ZigBee no circuito de aquisição e transmissão de dados. Para isto, este

circuito foi programado de forma a operar em conjunto com as duas placas do Kit de

desenvolvimento FBee, utilizando os programas originais da pilha de demonstração

do protocolo ZigBee. Este teste foi executado da seguinte forma:

Primeiramente, o circuito desenvolvido foi programado como um dispositivo

RFD e as duas placas do Kit de desenvolvimento FBee, foram programadas como

dispositivos Coordinator e Router.

Em um segundo teste, o circuito desenvolvido foi programado como um

dispositivo Coordinator, enquanto que as duas placas do Kit de desenvolvimento

FBee foram programadas como dispositivos Router e RFD.

Para completar este teste, o circuito desenvolvido foi programado como

dispositivo Router, enquanto que as placas do Kit de desenvolvimento FBee foram

programadas como dispositivos Coordinator e RFD.

Com estes testes, verificou-se o perfeito funcionamento da comunicação

ZigBee entre o circuito desenvolvido e as placas do Kit desenvolvimento FBee, como

ilustra a Figura 36.

Figura 36 – Teste do circuito de aquisição de dados

69

O teste final foi efetuado com os sensores acoplados ao circuito desenvolvido

para a aquisição e transmissão de dados. Neste teste, o dispositivo de aquisição e

transmissão de dados foi programado como um dispositivo RFD, enquanto que uma

das placas do Kit de desenvolvimento FBee foi programada como dispositivo

Coordinator. Neste teste, foram utilizados os programas modificados para o envio e

recebimento dos dados referentes à leitura do medidor.

Este teste apresentou um resultado muito satisfatório, pois no mesmo foi

observado que os circuitos desenvolvidos, juntamente com as alterações efetuadas

na pilha de demonstração do protocolo ZigBee, funcionam da forma como se era

esperado. A montagem deste teste pode ser observada na Figura 37.

Figura 37 – Teste final do protótipo desenvolvido

70

5 CONCLUSÃO

A automação de medidores tornou-se um tema de grande interesse para as

concessionárias de energia elétrica, pois as permite efetuar um melhor controle do

fornecimento de energia a seus consumidores. Embora o foco principal desta

automação esteja na leitura remota dos medidores, ela também proporciona

diversas outras soluções, como por exemplo, o corte e religamento remoto, a

tarifação sazonal e o controle de qualidade da energia fornecida.

O trabalho desenvolvido demonstra a possibilidade da utilização dos

medidores de energia elétrica eletromecânicos nesta automação, representando

assim considerável redução nos custos da implantação deste sistema, visto que

estes medidores já se encontram em funcionamento, e sua troca acarretaria em um

grande investimento inicial.

O trabalho demonstra também a possibilidade de uso do protocolo ZigBee na

comunicação entre estes medidores, devido a sua facilidade de instalação e

configuração, e ao seu baixo custo de implantação e manutenção. O reduzido

consumo de energia que os transmissores apresentam e a possibilidade de serem

alimentados por baterias, o torna propício a ser utilizado em ambientes de difícil

conexão com a rede elétrica.

Embora o protocolo ZigBee tenha sido desenvolvido visando uma grande

robustez contra interferências eletromagnéticas, notou-se que a comunicação de

aparelhos Bluetooth afeta o desempenho da rede, indicando que ainda falta um

estudo detalhado sobre as interferências de RF que o mesmo possa vir a sofrer ou

provocar a outras tecnologias de comunicação sem fio.

Como todas as outras redes sem fio, a rede ZigBee também está sujeita a

ataques de pessoas mal intencionadas. Este inconveniente pode ser sanado pela

utilização de seu sistema de criptografia baseado no algoritmo AES de 128 bits,

porém, por se tratar de uma rede em desenvolvimento, ainda não se tem estudos

direcionados a segurança que esta criptografia proporciona aos dados trafegados

pela rede.

Como propostas para trabalhos futuros, sugerimos a adição de algumas

funcionalidades ao circuito aqui desenvolvido, funcionalidades tais como a adição de

71

um relógio de tempo real para possibilitar aos medidores efetuar a leitura de forma

sazonal, a adição de um dispositivo capaz de medir a qualidade da energia que está

chegando ao medidor e o desenvolvimento de uma fonte com bateria para permitir

aos medidores transmitirem seus dados mesmo quando não houver energia elétrica

na rede de distribuição.

72

BIBLIOGRAFIA

ANFBee. Application Note FBee, Aplicação de redes Mesh, REV01_2009.

2009. Disponível em <www.fractum.com.br>. Acesso em 18 de Novembro de 2009. ANEEL. Agencia Nacional de Energia Elétrica. 2009. Disponível em

< http://www.aneel.gov.br>. Acesso em: 20 de Novembro de 2009.

CREDER, Hélio. Instalações Elétricas. 14. ed. Editora LTC – Livros Técnicos

e Científicos Editora S.A. Rio de Janeiro, 2002. DAHLE, David. A brief history of meter companies and meter evolution.

Dave's old Watthour Meter webpage. 2009. Disponível em < http://www.watthourmeters.com/> Acesso em: 29 de Novembro de 2009.

LATTIBEAUDIERE, Derrick P. AN1232. Microchip ZigBee-2006 Residential

Stack Protocol. 2009. Disponível em <www.microchip.com>. Acesso em 09 de Novembro de 2009.

MEDEIROS FILHO, Solon de. Medição de Energia Elétrica. 3. ed. Editora

Guanabara Dois S.A. Rio de Janeiro, 1983. MICROCHIP. PICDEM™ Z, Demonstration Kit User’s Guide. 2008.

Disponível em <www.microchip.com>. Acesso em 17 de Março de 2010.

http://www.microchip.com/

73

ANEXO A – ARQUIVO PRINCIPAL DO PROJETO DO DISPOSITIVO

COORDINATOR

99

ANEXO B – ARQUIVO PRINCIPAL DO PROJETO DO DISPOSITIVO RFD

Documents

33042753 Automacao de Medidores de Energia Eletrica Carlos Balan