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Universidade de Aveiro
2010
Departamento de Engenharia Mecnica
Lus Carlos Teixeira Vaz
SUPERVISO E CONTROLO REMOTO DA ILUMINAO NA VIA PBLICA
Universidade de Aveiro
2010
Departamento de Engenharia Mecnica
Lus Carlos Teixeira Vaz
SUPERVISO E CONTROLO REMOTO DA ILUMINAO NA VIA PBLICA
Dissertao apresentada Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessrios obteno do grau de Mestre em Engenharia Mecnica, realizada sob a orientao cientfica do Professor Doutor Jos Paulo Oliveira Santos, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de Aveiro e co-orientao do Professor Doutor Joaquim Jos Borges Gouveia, Professor Catedrtico do Departamento de Economia, Gesto e Engenharia Industrial da Universidade de Aveiro.
Dedico este trabalho a todos os que, directa ou indirectamente, contriburam
para a realizao do mesmo.
O jri
Presidente Prof. Doutor Robertt Angelo Fontes Valente Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de Aveiro
Orientador
Prof. Doutor Jos Paulo Oliveira Santos Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de Aveiro
Co-Orientador
Prof. Doutor Joaquim Jos Borges Gouveia Professor Catedrtico do Departamento de Economia, Gesto e Engenharia Industrial da Universidade de Aveiro
Arguente Prof. Doutor Carlos Cardeira Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecnica do Instituto Superior Tcnico
Agradecimentos
Deixo o meu agradecimento ao Professor Doutor Jos Paulo Oliveira Santos e
ao professor Doutor Joaquim Jos Borges Gouveia pela motivao e
orientao cientfica deste trabalho.
Agradeo tambm a todos os colegas que de uma forma ou de outra
contriburam para este trabalho. Destaco os colegas de laboratrio Daniel
Farinha, Emanuel vila e Marcos Gomes pela ajuda e pelas ideias que
partilharam e os colegas Nelson Capela, Srgio Pereira e Milton Grcio pelo
companheirismo demonstrado ao longo do meu percurso acadmico.
Por ltimo mas no menos importante, agradeo aos meus pais por sempre
me terem apoiado e proporcionado as condies necessrias para chegar at
aqui.
A todos, Muito Obrigado!
Palavras-chave
Iluminao Pblica, Superviso e Controlo, Micro-controlador, Transdutor,
Analisador de energia, ZigBee, PHP, HTML, Visual Basic, C.
Resumo
Este trabalho teve como principal objectivo desenvolver e implementar o
prottipo de um sistema de superviso e controlo da iluminao da via pblica.
Foi desenvolvido um mdulo de hardware que constitudo por um micro-
controlador, um analisador de energia, um mdulo de comunicaes e um
conjunto de dispositivos que permitem controlar o fluxo luminoso e bem como
a medir os consumos de energia de cada luminria. O sistema gerido a partir
de uma central de comando na qual existe um computador com ligao
internet, para tal foi desenvolvida uma aplicao em Visual Basic e tambm um
portal Web que conta com uma pgina de controlo e uma de superviso. A
comunicao entre a central e os pontos de iluminao fica a cargo de
mdulos wireless XBee que implementam o protocolo ZigBee. Toda a
informao recolhida em cada ponto de iluminao armazenada numa base
de dado MySQL, para posterior consulta atravs do portal Web.
O prottipo desenvolvido mostrou ser fivel e adequado para a gesto de um
sistema de iluminao da via pblica, no entanto h aspectos que tm que ser
melhorados, nomeadamente substituir o micro-controlador do mdulo de
hardware e adicionar mais sensores.
Keywords
Street Lightning, Supervision & Control, Microcontroler, Transducer, Energy
Meter, ZigBee, PHP, HTML, Visual Basic, C.
Abstract
The main goal of this project was to develop and implement a prototype system
for supervision and control of street lighting. Under development was a
hardware prototype consisting of a micro-controller, an energy metering IC to
measure the energy consumption of each lamp, a communications module and
a set of devices to control the light flux. The system is managed from a
computer with a Visual Basic Web server, which besides acquiring data from
the lightning points, writes it on a MySQL database and allows the remote of
the system through a Web page. There is also a statistics Web page, for further
information access on the lamps energy consumption. The communication
between the computer and the lighting points is achieved by XBee wireless
modules that implement ZigBee protocol.
The prototype developed is robust and suitable for the management of public
street lighting, however there are aspects that need improvement, such being
the replacement of the micro-controller in the hardware prototype and addition
of more sensors.
i
Contedo
Contedo i Lista de figuras iii
Lista de tabelas vii
Lista de acrnimos ix 1 Introduo 1
1.1 Enquadramento 1
1.2 Motivao ... 2 1.3 Objectivos 3
1.4 Organizao da Dissertao 4
2 Estado da arte 5
2.1 Solues existentes 5
2.1.1 Sistemas de controlo e regulao de fluxo luminoso . 5
2.1.2 Sistemas de monitorizao remota .. 11
2.1.3 Casos de estudo .... 14
2.2 Resumo .. 17
3 Tecnologias de suporte 19
3.1 Protocolos e tecnologias de comunicao ... 19
3.2 Microcontroladores .. 27
3.3 Transdutores . 28
3.4 Analisadores de energia ...... 30
3.5 Tcnicas de regulao de fluxo luminoso .... 31
4 Soluo proposta 37
4.1 Arquitectura da soluo proposta 37
4.2 Hardware .. 39
4.3 Clculos auxiliares .. 47
4.4 Software .... 50
5 Implementao e Anlise de desempenho 55
5.1 Implementao . 55
5.2 Anlise de desempenho .... 59
6 Concluses e trabalhos futuros 61
Apndice A Configurao dos mdulos XBee 65
ii
Apndice B Memria EEPROM com interface SPI 73
Apndice C Interface SPI do analisador MCP3909 87
Referncias 101
iii
Lista de Figuras
1.1 Poluio luminosa ... 2
1.2 Consumos de electricidade em Portugal 3
2.1 Equipamento Compacto .. 6
2.2 Ciclo de iluminao pr-programado ... 6
2.3 Equipamento Atron / Bipall ... 8
2.4 Variao da temperatura de cor em funo da carga aplicada lmpada . 9
2.5 Equipamento Augier-Box . 11
2.6 Exemplo de comunicao GSM/GPRS/PLC . 12
2.7 Exemplo de comunicao de dados Digi TransPort . 13
2.8 Arquitectura da soluo SmartLi .. 14
2.9 Interface Web do projecto ge.IP .... 17
3.1 Exemplo de barramento CAN 20
3.2 Estrutura de uma mensagem CAN standard .. 20
3.3 Rede de dispositivos Bluetooth 22
3.4 Exemplo de rede PLC . 23
3.5 Topologias de rede ZigBee . 24
3.6 Arquitectura da rede GSM 26
3.7 Diagrama de blocos PIC .. 28
3.8 (a) Transdutor de corrente por de efeito de Hall; (b) Resistncia de shunt 29
3.9 Transdutor de tenso por efeito de Hall . 29
3.10 Diagrama de blocos do analisador de energia MCP3909 da Microchip 31
3.11 Modulao por largura de pulso 31
3.12 ngulo de disparo .. 32
3.13 Auto-transformador varivel .. 33
3.14 Sistema de injeco de tenso em oposio de fase . 34
3.15 Injeco de tenso em oposio de fase 35
4.1 Arquitectura da soluo proposta 38
4.2 Arquitectura do mdulo de hardware ................................ 41
iv
4.3 Esquema elctrico do mdulo de hardware ... 42
4.4 Esquema elctrico do mdulo de hardware (Transdutores e MCP3909) 43
4.5 Diagrama de pinos do transdutor LTS15-NP . 43
4.6 Esquema elctrico da fonte de alimentao 45
4.7 Diagrama de fluxo do software . 46
4.8 Esquema elctrico da placa de comunicao com o PC .. 47
4.9 Diagrama de interaco entre os vrios software 50
4.10 Diagrama de fluxo da aplicao VB ... 51
5.1 Pontos de iluminao implementados no laboratrio .. 55
5.2 Mdulo de hardware 56
5.3 Interface da aplicao VB .. 57
5.4 Interface Web de controlo 58
5.5 Interface Web de superviso .. 58
A.1 Mdulo XBee e XBee-Pro ..... 65
A.2 Diagrama de pinos do mdulo XBee .... 66
A.3 Ligao entre o computador e o mdulo XBee .... 67
A.4 Configurao da comunicao entre o computador e o mdulo XBee . 68
A.5 Configurao do mdulo XBee .. 68
A.6 Troca de mensagens entre o PC e o mdulo XBee .. 72
B.1 Barramento SPI . 74
B.2 Mensagem SPI analisada no osciloscpio .. 75
B.3 Modos SPI suportados pela EEPROM 76
B.4 Diagrama de pinos da EEPROM . 77
B.5 Organizao da EEPROM 78
B.6 Status Register .. 78
B.7 Instruo Read Identification . 80
B.8 Instruo Read Status Register .. 80
B.9 Instruo Write Page 81
B.10 Registo SSPSTAT do micro-controlador .. 82
B.11 Registo SSPCON do micro-controlador 82
B.12 Sequncia de mensagens para ler o Status Register .. 84
v
C.1 Diagrama de pinos do analisador . 87
C.2 (a) Instruo SPI; (b) Instruo SPI . 89
C.3 Multiplier Output mode . 90
C.4 (a) Dual Channel mode ... 90
C.4 (b) Troca de mensagens SPI . 91
C.5 Filter Input mode . 91
C.6 Diagrama de fluxo do software do micro-controlador . 92
C.7 Estrutura de dados devolvidos pelo analisador . 94
C.8 Resultado da comparao lgica . 94
vi
vii
Lista de Tabelas
3.1 Mensagem Ethernet definida pelo padro IEEE 802.3 . 21
4.1 Estrutura da mensagem de comando 38
4.2 Estrutura da mensagem de dados .. 39
4.3 Comparao entre vrios modelos de analisadores de energia . 40
5.1 Lista dos componentes principais do mdulo de hardware e respectivo custo . 66
A.1 Caractersticas tcnicas do mdulo XBee .. 62
A.2 Parmetros necessrios para configurar um mdulo XBee .. 70
A.3 Mensagens de resposta do mdulo XBee . 71
A.4 Configurao dos mdulos XBee . 72
C.1 Programmable Gain Amplifier ... 88
C.2 Exemplos de notao de complemento para 2 . 97
viii
ix
Lista de Acrnimos
ADC Analogic to Digital Converter
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
CAN Controller Area Network
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile communications
HPS Vapor de Sdio de Alta Presso (High Pressure Sodium)
HTML HiperText Markup Language
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
IC Integrated Circuit
IR Infra-Vermelho (Infrared)
ISM Industrial Scientific and Medical
LCD Liquid Crystal Display
LED Light Emitting Diode
MH Iodetos Metlicos (Metal Halide)
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
PCB Printed Circuit Board
PHP Hypertext Preprocessor
PLC Power Line Communications
RMS Root Mean Square
RF Rdio Frequncia
SCADA Supervision Control And Data Acquisition
SD Secure Digital
SMS Short Message Service
SPI Serial Peripheral Interface
TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol
USB Universal Serial Bus
VB Visual Basic
XML Extended Markup Language
x
1
Captulo 1
Introduo
1.1 Enquadramento
A iluminao pblica assume um papel bastante importante no desenvolvimento de uma
sociedade. Permite que veculos e pees circulem em segurana na via pblica durante o
perodo nocturno, inibe a criminalidade e tambm tem como objectivo realar monumentos,
jardins ou outros espaos de lazer. Um bom projecto de iluminao pblica deve assegurar que
os pees tenham uma boa visibilidade dos limites do espao onde circulam e tambm a
inexistncia de zonas de pouca luminosidade. No caso dos veculos deve ser assegurado que
estes detectem com facilidade eventuais obstculos na via [TEIXEIRA, 2003].
Uma rede de iluminao pblica convencional constituda essencialmente por um
sistema de controlo, que liga e desliga a iluminao em perodos definidos por um relgio
astronmico ou crepuscular, uma rede de distribuio de energia e por pontos de iluminao.
Por sua vez, os pontos de iluminao so constitudos uma ou mais lmpadas e um conjunto
de equipamentos elctricos e mecnicos necessrios para seu funcionamento, nomeadamente
a luminria, o balastro e estrutura de suporte, vulgo poste.
A luminria serve de suporte e proteco da lmpada, para alm disso permite
direccionar o fluxo luminoso para onde realmente necessrio e assim melhorar o rendimento
global do ponto de iluminao.
O balastro, que pode ser do tipo magntico ou electrnico, um dispositivo necessrio ao
funcionamento de determinados tipos de lmpadas, mais concretamente lmpadas de
descarga em gases. Este equipamento tem como principais funcionalidades fornecer uma
sobretenso durante o de arranque da lmpada e limitar a corrente durante o funcionamento.
A estrutura de suporte poder ser necessria ou no. Por exemplo no caso de iluminao
de monumentos em que so utilizados projectores ao nvel do solo, ou no caso de iluminao
em tneis rodovirios em que as armaduras so fixadas nas paredes do tnel.
Em iluminao pblica so utilizados vrios tipos de lmpadas, sendo que na sua maioria
trata-se de lmpadas de descarga em gases por serem mais eficientes que lmpadas de
2
halogneo e mesmo que os LED. No entanto os LED so uma tecnologia relativamente recente
e em desenvolvimento, o rendimento luminoso tem vindo a ser melhorado e segundo alguns
autores apresentado como o futuro da iluminao [SCHREDER, 2008].
1.2 Motivao
Segundo [DEURSEN, 2006] cerca de um tero dos sistemas de iluminao pblica
Europeus so obsoletos e pouco eficientes. Estima-se que se os sistemas de iluminao
ineficientes da Europa, nos sectores domstico, pblico e privado fossem substitudos por
solues mais eficientes, as poupanas financeiras poderiam alcanar os 4.300 milhes de
euros anuais bem como uma reduo de 28 milhes de toneladas de CO2.
A falta de controlo nos sistema de iluminao pblica e a utilizao de luminrias pouco
eficientes resulta num cenrio de poluio luminosa, o qual possvel verificar na Figura 1.1.
Esta imagem de satlite demonstra que a Europa e os Estados Unidos apresentam os maiores
ndices de poluio luminosa. Este tipo de poluio muito criticado pelos astrnomos uma
vez que interfere directamente com o seu trabalho, para alm disso o excesso de luminosidade
altera os hbitos nocturnos de animais e de pessoas [ASTERPORTAL, 2009].
Figura 1.1: Poluio luminosa.
No ano de 2008 a iluminao pblica representou cerca de 3.3% dos consumos de
electricidade em Portugal (Figura 1.2). Embora o valor apresentado no seja muito significativo
quando comparado com os restantes sectores, ainda assim representa um consumo de
energia que ronda os 1642 GWh e que em termos financeiros ascende os 135 milhes de
euros, valor calculado com base na tarifa de 2008 [DGEG, 2008]. Outro aspecto preocupante
3
o facto do consumo de energia dos sistemas de iluminao pblica apresentar uma tendncia
de subida desde 1994.
Figura 1.2: Consumos de electricidade em Portugal [PORDATA, 2010].
Pelos motivos que foram apresentados, torna-se necessrio intervir na rea da iluminao
pblica. O aumento da eficincia energtica nos sistemas de iluminao pblica leva no s a
uma reduo do consumo de energia e do nvel de poluio luminosa, como tambm a uma
poupana econmica considervel. Este aumento pode passar pela simples troca de lmpadas
e equipamentos obsoletos por tecnologia mais eficiente, at sistemas de controlo de
iluminao mais eficazes que os existentes.
1.3 Objectivos
O principal objectivo deste trabalho desenvolver e implementar em laboratrio o
prottipo de um sistema de superviso e controlo da iluminao da via pblica. Deste deve
fazer parte o hardware de controlo e monitorizao e uma aplicao de software que permita
gerir o sistema de iluminao.
O prottipo deve permitir o controlo individual ou de um conjunto de luminrias, bem
como medir e armazenar a energia consumida por cada luminria e tambm detectar
eventuais avarias da lmpada. Na aplicao de software deve constar uma base de dados na
qual so armazenados os dados recolhidos para posterior consulta. Pretende-se que o sistema
4
de iluminao possa ser controlado a partir de uma aplicao local e tambm atravs de um
portal Web.
A fiabilidade e o baixo custo so duas caractersticas pretendidas para este prottipo, pelo
que escolha dos dispositivos que constituem o hardware deve de ser feita de forma a
conseguir uma boa relao entre custo e caractersticas tcnicas.
1.4 Organizao da Dissertao
Esta Dissertao est organizada em seis captulos e trs apndices.
No captulo dois so apresentados vrios exemplos de sistemas de superviso e controlo
da iluminao da via pblica. So apresentadas as principais caractersticas de cada sistema e
no final feito um pequeno resumo dos sistemas abordados.
No captulo trs so apresentadas algumas das tecnologias que foram consideradas para
este trabalho. So apresentados os principais aspectos de cada tecnologia procurando
destacar as vantagens e desvantagem de cada uma.
No captulo quatro apresentado o estudo conceptual da soluo proposta. feita uma
descrio da arquitectura adoptada bem como do hardware e software desenvolvidos.
No captulo cinco descrita a implementao do prottipo. So apresentadas as
interfaces de controlo, local e remota, e tambm o mdulo de hardware desenvolvido. Neste
captulo so ainda discutidas algumas opes tomadas ao longo do trabalho.
No captulo seis so apresentadas as concluses deste trabalho e tambm algumas
sugestes para trabalhos futuros.
Nos apndices explicado em pormenor o funcionamento de dois dispositivos utilizados
neste trabalho e um outro que foi considerado mas que acabou por no ser utilizado. No
apndice A descrito o mdulo de comunicaes XBee, no apndice B descrito o
funcionamento de uma memria EEPROM com interface SPI e no apndice C descrita a
interface SPI do analisador de energia MCP3909.
5
Captulo 2
Estado da Arte
No que diz respeito a sistemas de superviso e controlo da rede de iluminao da via
pblica so vrios os exemplos que podem ser apresentados. Existem no mercado sistemas
com diversas funcionalidades, desde os que apenas permitem efectuar o controlo,
monitorizao local ou de transporte de dados, at solues integradas que permitem efectuar
o controlo e superviso remota do sistema de iluminao pblica.
Neste captulo so apresentados alguns dos sistemas referidos bem como trs casos de
estudo nos quais so ou iro ser aplicados sistemas de controlo e superviso de iluminao
pblica.
2.1 Solues existentes
2.1.1 Sistemas de controlo e regulao do fluxo luminoso
Nesta seco referido por diversas vezes o parmetro luminotcnico denominado fluxo
luminoso. Trata-se de um parmetro caracterstico de uma fonte de luz e definido como a
quantidade de luz emitida por unidade temporal. A unidade de medida o lmen (lm)
[TEIXEIRA, 2003].
Compacto
O sistema Compacto (ver Figura 2.1), desenvolvido e produzido pela empresa Francesa
Augier SAS [Augier, 2010], trata-se de variador electrnico de tenso que permite variar e
regular a tenso aplicada a um conjunto de lmpadas.
6
Figura 2.1: Equipamento Compacto.
semelhana de outros sistemas estudados durante a pesquisa bibliogrfica, este sistema
utiliza uma tcnica de injeco de tenso em oposio de fase1 para variar a tenso sada do
equipamento. De certa forma, pode-se afirmar que este equipamento uma fonte de
alimentao regulvel que alimenta um conjunto de lmpadas, permitindo assim reduzir a
potncia fornecida s lmpadas e por consequncia reduzir o fluxo luminoso bem como o
consumo de energia [COMPACTO, 2010].
O modo de operao deste sistema baseado em ciclos pr-programados de iluminao
(ver Figura 2.2). feita uma distino entre dias da semana e dias de fim-de-semana, e so
consideradas quatro estaes de trs meses cada. Adicionalmente poder ser programado um
ciclo de operao diferente durante oito dias por ano [COMPACTO, 2010].
Figura 2.2: Ciclo de iluminao pr-programado.
1 Para saber mais sobre esta tcnica deve ser consultado o Captulo 3: Tcnicas de regulao de fluxo
luminoso.
7
A Figura 2.2 apresenta um exemplo, meramente ilustrativo, de um ciclo de iluminao
pr-programado. Inicialmente, aps a iluminao pblica ser ligada, tem-se uma fase de pr-
aquecimento das lmpadas a uma tenso inferior tenso nominal, facto este que segundo o
fabricante aumenta em 30% o tempo de vida til das lmpadas. De seguida, durante o perodo
nocturno de maior movimento na via pblica o sistema fornece a tenso nominal s lmpadas.
Durante a noite, quando o movimento na via pblica reduzido ou inexistente, o sistema
reduz a tenso aplicada s lmpadas para 75% ou 50% da tenso nominal, sendo precisamente
neste perodo efectuada a poupana de energia. De madrugada, quando retorna o
movimento via pblica, fornecido s lmpadas a tenso nominal at que a iluminao se
desligue.
A configurao dos ciclos de iluminao feita atravs de um software apropriado e de
um computador que comunica com o equipamento atravs de uma porta USB. possvel
configurar parmetros tais como rampas de tenso (transio entre dois nveis de tenso) ou
tempos entre cada transio. De salientar que a configurao do equipamento s poder ser
feita caso este se encontre desligado, tratando-se este procedimento de uma medida de
segurana [COMPACTO, 2010].
O fabricante afirma que com este equipamento possvel obter poupanas energticas
na casa dos 30% a 45%, para lmpadas de HPS (Vapor de Sdio de Alta Presso) e MH (Iodetos
Metlicos) e ao mesmo tempo um aumento do tempo de vida til das lmpadas. O
equipamento est disponvel nas verses de 3 a 9kVA (monofsico) e de 9 a 27kVA (trifsico)
[COMPACTO, 2010].
De seguida sero apresentadas as principais caractersticas deste equipamento (verso
monofsica):
Alimentao: 230V 10% (45Hz a 65Hz).
Potncia: 0 - 9kVA.
Variao da potncia fornecida entre 0 e 100%.
Funciona com todos os tipos de lmpadas.
Eficincia de 98,5%.
Proteco trmica e de curto-circuito.
By-pass automtico.
Indicao do estado atravs de indicadores LED (ON, Fault e Modo de economia).
8
Atron/ Bipall
Atron e Bipall so dois equipamentos que fazem parte de uma soluo de controlo de
fluxo luminoso apresentada pelo fabricante Francs Abel [ABEL, 2010]. O equipamento Altron
trata-se de um balastro electrnico que oferece a possibilidade de controlar a potncia
fornecida lmpada [ALTRON, 2010]. O equipamento Bipall um temporizador que controla
o balastro e que permite variar a potncia fornecida lmpada seguindo ciclos de iluminao
pr-programados. Os dois equipamentos em conjunto constituem um sistema de controlo de
fluxo luminoso autnomo e independente. Ao contrrio do sistema Compacto apresentado
anteriormente, que controla um conjunto de lmpadas, este sistema controla apenas uma
lmpada (ver Figura 2.3).
Figura 2.3: Equipamento Atron / Bipall.
Na documentao consultada [ALTRON, 2010] sobre este sistema no consta a tcnica
utilizada para controlar a potncia fornecida lmpada.
Os equipamentos referidos permitem controlar lmpadas de HPS e MH e esto divididos
em duas gamas de potncia, de 60 a 150W e de 250 a 400W. Para a primeira gama, o
equipamento Bipall est integrado no mesmo mdulo do Altron, para a segunda gama de
potncia o equipamento Bipall encontra-se num mdulo separado, e para cada tipo de
9
lmpada e gama de potncia dever ser seleccionado um equipamento especfico [ALTRON,
2010].
O modo de operao deste sistema em tudo semelhante ao apresentado
anteriormente. O equipamento Bipall permite seguir at quatro ciclos de iluminao pr-
programados e segundo o fabricante as poupanas energticas esto compreendidas entre
21% e 38%. O equipamento poder ainda ser disponibilizado com um ciclo de iluminao
personalizado e de acordo com os requisitos do cliente.
O Bipall tem um contador interno que regista os tempos de funcionamento da
iluminao pblica. A partir do momento em que instalado demora entre dois a quatro dias
at se sincronizar com os outros equipamentos Bipall com base numa mdia dos tempos
registados. Este processo torna-se necessrio para que todas as luminrias tenham o mesmo
comportamento no que diz respeito a variaes do fluxo luminoso. Aps o perodo de
sincronizao o equipamento comea de imediato a executar os ciclos de iluminao pr-
programados [ALTRON, 2010].
Segundo o fabricante a diminuio da potncia aplicada lmpada provoca um aumento
da temperatura de cor. Atravs da Figura 2.4 possvel demonstrar este comportamento para
o caso de uma lmpada de MH com uma potncia de 70W.
Figura 2.4: Variao da temperatura de cor em funo da carga aplicada lmpada.
Seguidamente so apresentadas as principais caractersticas deste equipamento.
Alimentao: 180 - 250V (50Hz a 60Hz).
Potncia: 60 - 150W e 250 - 400W.
10
Variao da potncia fornecida entre 0 e 100%. (Em 6 nveis para potncias at 150W
e 4 nveis para potncias superiores a 250W).
Funciona com lmpadas de HSP e MH.
Proteco trmica e de curto-circuito.
Aumento do tempo de vida til das lmpadas entre 20% a 40%.
Indicao do estado atravs de indicadores LED.
A programao do equipamento feita na fbrica.
CEP/Tev2
Os reguladores de fluxo luminoso CEP/TEV, comercializados pela empresa Portuguesa
Tev2, permitem obter poupanas energticas at 50%. semelhana dos sistemas
apresentados anteriormente, o modo de operao do CEP/TEV baseia-se em ciclos pr-
programados de iluminao, no entanto oferece a possibilidade de ser controlado com base na
informao fornecida por uma foto clula.
Este sistema recorre a um auto-transformador2 para variar a tenso sada do
equipamento, sendo este aspecto a principal diferena face ao primeiro sistema apresentado,
o Compacto.
De seguida so apresentadas as principais caractersticas deste equipamento.
Alimentao trifsica: 350 - 420V (48Hz a 52Hz).
Potncia: 6 60kVA.
Variao da potncia fornecida entre 0 e 100%.
Funciona com todo o tipo de lmpadas.
Eficincia: 98,5% (em plena carga).
Aumento do tempo de vida til das lmpadas.
Outros sistemas
Em [ANDR, 2004]3 apresentado o prottipo de um balastro electrnico para lmpadas
de vapor de sdio de alta presso. O autor desenvolveu um balastro que permite alimentar as
lmpadas a alta frequncia e eliminar o efeito de ressonncia acstica. O balastro
2 Para saber mais sobre esta tcnica deve se consultado o Captulo 3: Tcnicas de regulao de fluxo
luminoso. 3 Tese de doutoramento
11
desenvolvido controlado por um micro-controlador e permite tambm regular a potncia
fornecida s lmpadas.
2.1.2 Sistemas de monitorizao remota
Augier-box
O equipamento Augier-box (Figura 2.5) permite monitorizar o estado e consumos de
energia de uma rede de iluminao pblica. Sempre que ocorre um evento anormal, por
exemplo um pico de tenso, na rede de iluminao pblica enviada uma SMS de alarme para
os nmeros que esto armazenados na sua memria. Tambm possvel consultar as
medies efectuadas via GSM/GPRS. Este equipamento suporta ainda os protocolos de
comunicao CAN, RS485 e USB. A porta de comunicaes USB utilizada para configurar o
equipamento, sendo que as restantes so para comunicar com equipamentos de controlo de
fluxo do fabricante Augier, nomeadamente o Compacto [AUGIER-BOX].
Cada equipamento possui um relgio astronmico que associado a um rel permite
controlar o contactor principal que liga e desliga a iluminao. Cada Augier-box pode ser
configurada com um cdigo de identificao bem como coordenadas geogrficas que servem
de referncia para o relgio astronmico e para geo-localizao [AUGIER-BOX].
Figura 2.5: Equipamento Augier-Box.
Opera
O sistema Opera desenvolvido pela empresa Italiana Reverberi Enetec [OPERA, 2010]
permite efectuar a monitorizao de uma rede de iluminao pblica. A superviso feita a
12
partir de uma central utilizando um computador com o software adequado. Este sistema
prope essencialmente dois tipos equipamento.
O equipamento DAC (Data Acquisition Controller) trata-se mdulo que instalado no
armrio central que controla a iluminao pblica. Permite recolher vrios parmetros
tais como tenso, corrente, factor de potncia entre outros, e armazena-os na sua
memria. Este equipamento possui uma porta de comunicaes RS232 e pode ser
conectado directamente a um computador ou a um modem GSM, sendo este o
protocolo de comunicaes utilizado para trocar informao com a central. Caso
ocorram eventos anormais no sistema de iluminao enviado um SMS de alerta para
um nmero predefinido [OPERA, 2010].
O LPS (Lightning Point Sentinel) trata-se de um equipamento que instalado junto de
cada luminria. Tal como o DAC permite recolher vrios parmetros da rede, no
entanto a informao enviada para um mdulo concentrador que est instalado no
armrio central atravs de PLC (Power Line Communication). Posteriormente o mdulo
envia a informao para a central atravs de GSM. Atravs da Figura 2.6 possvel
demonstrar uma aplicao deste sistema.
Figura 2.6: Exemplo de comunicao GSM/GPRS/PLC.
13
Digi TransPort
O Digi TransPort uma soluo de comunicao de dados, apresentada pelo fabricante
Digi International que pode ser integrada num sistema de monitorizao de um sistema de
iluminao pblica. O fabricante afirma que o GPRS a melhor soluo de comunicao de
dados em sistemas de controlo e monitorizao [DIGI, 2010]. Na soluo apresentada os vrios
pontos de iluminao esto ligados a um mdulo concentrador atravs de uma rede Ethernet.
A comunicao de dados entre o concentrador e a central de comando feita com recurso a
um router GPRS (ver figura 2.7).
Este sistema foi implementado pela empresa Hafslund, a principal distribuidora de
energia Norueguesa [DIGI, 2010]. O sistema implementado por esta empresa conta ainda com
outras tecnologias de controlo e monitorizao do sistema de iluminao bem como
luminrias que utilizam a tecnologia LED. Em seis anos de aplicao destas tecnologias foi
observada uma reduo nas emisses de CO2 na ordem dos 70%, sendo previsvel que atinja os
80% [WORDSWORTH, 2010].
Figura 2.7: Exemplo de comunicao de dados Digi TransPort.
Outros sistemas
Em [TRAVASSOS, 2008]4 apresentado um sistema de monitorizao de consumos numa
estao de radiocomunicaes mveis da Vodafone. O prottipo desenvolvido permite
monitorizar em tempo real os consumos de diversos equipamentos na estao mvel bem
como as respectivas temperaturas de funcionamento.
4 Dissertao de Mestrado
14
Para obter os consumos proposto utilizar um micro-controlador para processar os dados
fornecidos por transdutores de tenso e corrente, depois de devidamente tratados por
hardware auxiliar. O prottipo permite ainda armazenar os dados recolhidos numa memria
SD e apresentar os dados num ecr LCD.
2.1.3 Casos de estudo
SmartLi
O projecto SmartLi levado a cabo pela empresa Portuguesa TEC-IT apresenta uma
soluo integrada de controlo e superviso do sistema de iluminao pblica. O controlo e a
monitorizao so feitos ponto a ponto. Em cada luminria ser colocado um equipamento
que tem a capacidade de controlar o fluxo luminoso e medir alguns parmetros da rede, entre
outras funcionalidades. Esta soluo tal como as apresentadas anteriormente segue um ciclo
de iluminao pr-programado, no entanto aplicado o conceito de Adapative Lightning, ou
seja, adaptar o fluxo luminoso s necessidades momentneas de luminosidade [SMARTLI,
2010].
A Figura 2.8 mostra a arquitectura da soluo SmartLi.
Figura 2.8: Arquitectura da soluo SmartLi.
O controlo e superviso do sistema de iluminao feito a partir de uma central, nesta
encontra-se um computador com o software adequado responsvel pela troca de mensagens
atravs de GSM com um dos mdulos terminais que est inserido na rede de iluminao,
15
representado na Figura 2.8 por unidade central de processamento. O mdulo que troca
mensagens com a central reenvia a informao, caso seja necessrio, para os mdulos
seguintes por radiofrequncia (RF). Da mesma forma, as mensagens que fluem em sentido
contrrio so reenviadas at chegarem central. Por sua vez quando chegam dados central
so armazenados numa base de dados.
So anunciadas poupanas de energia na ordem dos 40% a 70% em instalaes de
iluminao que utilizem a lmpadas do tipo Vapor de Sdio de alta Presso (HPS). O
equipamento est preparado partida para operar com luminrias que utilizam a tecnologia
LED [SMARTLI, 2010]. De seguida so apresentadas a principais caractersticas da soluo
SmartLi.
Controlo horrio e/ou por luminosidade.
Controlo por deteco de movimento.
Regulao da luminosidade de acordo com a utilizao da zona.
Envio dirio dos consumos por luminria para a base de dados.
Leitura da luminosidade pela unidade central de processamento.
Deteco de vandalismo ou roubo do equipamento do poste.
Deteco de viaturas em sentido contrrio nos acessos das autoestradas.
Ligao progressiva da iluminao em funo da luz natural.
As referncias consultadas no permitem apurar se esta soluo j foi implementada ou se
ainda se encontra em fase de projecto.
Projecto Lites
O projecto Lites pretende apresentar uma soluo inteligente de controlo e superviso da
iluminao pblica em que as luminrias utilizam a tecnologia LED. Este projecto conta com a
parceria da empresa Mertercom, a qual j disponibiliza um sistema inteligente de controlo de
iluminao pblica baseado na tecnologia LED, o DATALED52. No entanto o projecto Lites
pretende apresentar uma soluo mais sofisticada, nomeadamente ao nvel da superviso do
sistema de iluminao [LITES, 2010].
Em cada luminria, um equipamento permitir adaptar o fluxo luminoso de acordo com
as necessidades momentneas. O ajuste feito com base na informao recolhida por diversos
16
sensores, nomeadamente sensores de luminosidade e movimento. Este equipamento tambm
permitir medir os consumos de energia bem como outros parmetros relevantes.
Na soluo que ser apresentada um gateway inserido num armrio elctrico comunica
com a central utilizando uma ligao internet. A comunicao entre o gateway e os
equipamentos de cada luminria feita atravs de PLC. Os dados recolhidos por cada
equipamento so enviados para a central e processados num software adequado. Com este
sistema as poupanas energticas podero atingir os 70% [LITES, 2010].
No decorrer do projecto Lites est prevista a instalao de duzentos pontos de iluminao
que utilizam esta tecnologia. Sero distribudos por quatro pases, sendo que cinquenta destes
pontos de iluminao sero instalados no Campus Universitrio da Universidade de Aveiro.
ge.IP
O ge.IP um dos projectos piloto da Agncia Municipal de Energia de Gaia. A Energaia
fundada em 1999 tem como objectivo implementar polticas energticas e projectos de forma
a tornar o Municpio de Vila nova de Gaia como um exemplo de sustentabilidade e de gesto
de recursos energticos [ENERGAIA, 2010].
O projecto apresentado visa melhorar a gesto do sistema de iluminao pblica. Em cada
luminria colocado com um equipamento que tem a capacidade de regular o fluxo luminoso.
Este dispositivo permite ainda detectar anomalias, medir consumos e outro tipo de
parmetros e tambm registar o nmero de horas de funcionamento da lmpada. No armrio
central da rede de iluminao colocado um dispositivo que controla os pontos de iluminao,
e comunica com estes atravs de um protocolo normalizado.
O sistema de iluminao controlado a partir de um portal Web. A comunicao entre o
portal e controlador dos pontos de iluminao feita segundo o protocolo TCP/IP atravs de
uma das seguintes tecnologias: GPRS, ADSL, Wi-MAX, Wi-Fi ou BPL.
Na aplicao Web o utilizador tem a possibilidade de controlar o sistema de iluminao e
tambm consultar o histrico de consumos, tempos de funcionamento das lmpadas, avarias
no sistema de iluminao, entre outros parmetros. A Figura 2.9 mostra o aspecto da interface
Web.
17
Figura 2.9: Interface Web do projecto ge.IP.
A interface Web permite trabalhar sobre plataformas de visualizao de mapas online, o
que permite localizar os pontos de iluminao numa determinada zona atravs de geo-
referenciao [ENERGAIA, 2010]. Com esta soluo a poupana energtica cerca 49%,
associado a uma reduo com as despesas de manuteno estimada em cerca de 98%, a
reduo total dos custos com a iluminao pblica ronda os 53%.
2.2 Resumo
Aps estudar alguns sistemas de controlo e/ou superviso do sistema de iluminao
pblica chega a altura de fazer um resumo das caractersticas dos sistemas estudados. Durante
a pesquisa foram encontrados essencialmente trs tipos de sistemas,
Sistemas de controlo.
Sistemas de monitorizao.
Sistemas que integram controlo e monitorizao com software de gesto.
No que diz respeito ao controlo e monitorizao so feitas duas abordagens,
Individual, em que cada ponto de iluminao controlado/monitorizado de forma
independente.
Centralizado, em que controlado/monitorizado um conjunto de pontos de
iluminao a partir do armrio central do sistema de iluminao pblica.
18
Os sistemas estudados utilizam diferentes tecnologias de comunicao sendo que as mais
utilizadas so o GSM/GPRS e o PLC. No que diz respeito a poupanas de energia, estas variam
entre os 21% e os 50%. Estes valores so estimados tendo como referncia uma determinada
rede de iluminao sem sistema de controlo instalado e a mesma rede com sistema proposto
pelo fabricante, por este motivo no devem ser utilizados para comparar sistemas de
fabricantes diferentes ema vez que o clculo pode ser baseado em redes de iluminao com
caractersticas diferentes.
19
Captulo 3
Tecnologias de suporte
3.1 Protocolos e tecnologias de comunicao
CAN
O protocolo CAN (Controller Area Network) foi desenvolvido por Robert Bosh em meados
da dcada de oitenta para aplicaes na indstria automvel. Actualmente utilizado em
muitas aplicaes industriais e de domtica por se tratar de um protocolo robusto e fivel.
Numa rede CAN dois ou mais ns esto ligados a um barramento comum. Estes no
possuem endereo, quando um n envia uma mensagem todos os ns da rede recebem essa
mensagem, no entanto a mensagem interpretada para que cada n identifique se a
mensagem se destina a ele ou no. Para evitar o conflito de mensagens utilizado o CSMA/CR
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution). Quando um n do barramento
pretende enviar uma mensagem verifica o estado do barramento antes de enviar a mensagem
e s envia se estiver livre. Se eventualmente ocorrer uma coliso de mensagens, ou seja, dois
ns enviaram uma mensagem ao mesmo tempo, iniciado um processo de arbitragem e nessa
altura enviada a mensagem de maior prioridade. Uma mensagem prioritria aquela cujo
identificador corresponde ao menor nmero binrio [TEXAS, 2010].
O meio de transmisso de dados mais comum um par de fios entranados sendo que o
comprimento do barramento est dependente da velocidade de transmisso de dados. A
velocidade mxima de transmisso est definida para 1Mbit/s enquanto que o comprimento
mximo de um barramento CAN ronda os 1000m. Para barramentos com mais de 100m pode
ser aplicada uma relao entre a velocidade de transmisso de dados e seu comprimento, tal
como mostra a equao 1 [TEXAS, 2008].
Bit rate (Mbit/s) * comprimento do barramento (m) 50 (1)
20
A figura 3.1 mostra o exemplo de um barramento CAN em que vrios ns esto ligados ao
barramento. Nos terminais do barramento devem ser colocadas resistncias de valor de 120,
representadas na Figura 3.1 por RL.
Figura 3.1: Exemplo de barramento CAN [TEXAS, 2008].
Existem dois tipos de mensagens CAN, o tipo standard em que o identificador tem 11
bits e o tipo extended em que o identificador tem 29 bits. As mensagens so constitudas por
vrios campos, a Figura 3.2 mostra a estrutura de uma mensagem standard.
Figura 3.2: Estrutura de uma mensagem CAN standard [TEXAS, 2010].
Os campos da mensagem onde seguem informaes relevantes so o Identificador, de 11
bits no exemplo apresentado, e o campo de dados que no mximo poder ter 8 bytes. Os
outros campos so de controlo e deteco de erros.
Ethernet
A Ethernet, que comeou por se chamar Alto Aloha Network, surge na dcada de setenta
por Bob Metcalfe no Xerox PARC, Califrnia. A Ethernet teve como base de desenvolvimento
um outro sistema de comunicaes, o Aloha, desenvolvido na Universidade do Hawai no final
da dcada de sessenta [SPURGEON, 2000].
O sistema de comunicaes Aloha era bastante simples. Bob Metcalf props-se a
melhorar este sistema e para isso desenvolveu um mecanismo de deteco e coliso com
21
mltiplo acesso que ficou conhecido por CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection). Este mecanismo permitiu criar uma rede de comunicaes com mais de dois
intervenientes sem que haja perda de informao derivado a conflitos no acesso ao meio de
transmisso. Sempre que detectada uma coliso de mensagens, os intervenientes aguardam
um tempo aleatrio at tentarem um novo envio, este processo repetido at que a
mensagem seja entregue com sucesso ou at expirar o nmero mximo de tentativas
permitido [SPURGEON, 2000].
Actualmente existem vrios tipos de Ethernet. A diferena entre eles reside na velocidade
de transmisso de dados e no meio fsico de transmisso. Quanto velocidade mxima de
transmisso de dados podem ser distinguidos quatro tipos, so eles:
Standard Ethernet (10 Mbit/s).
Fast Ethernet (100Mbit/s).
Gigabit Ethernet (1Gbit/s).
10 Gigabit Ethernet (10 Gbit/s).
Quanto ao meio de transmisso de dados existem quatro possibilidades, so elas:
Cabo coaxial
Par entranado
Fibra ptica
Wireless (sem fios)
A estrutura bsica de uma mensagem Ethernet definida pelo padro IEEE 802.3. Cada
mensagem composta por vrios campos e o seu tamanho mximo est limitado aos 1525
bytes. A Tabela 3.1 mostra a composio de uma mensagem Ethernet [KASIM, 2008].
Tabela 3.1: Mensagem Ethernet definida pelo padro IEEE 802.3.
7 1 6 6 2 46-1500 4 bytes
Preamble SOF DA SA Lenght/Type Data FCS
Os campos da mensagem onde seguem informaes relevantes so o DA (endereo de
destino), o SA (endereo de origem) e o campo de dados que poder ter at 1500 bytes. Os
outros campos so de controlo e deteco de erros.
22
Bluetooth
O Bluetooth uma tecnologia de comunicaes sem fios de curto alcance que foi
desenvolvido para permitir a troca de dados entre dispositivos, como por exemplo telemveis
ou mesmo entre um computador e diversos perifricos.
Esta tecnologia comeou a ser desenvolvida em 1994 pela empresa Ericsson. Mais tarde,
em 1998, outras empresas juntaram-se Ericsson e formaram um consrcio denominado SIG
(Bluetooth Special Interest Group) com o objectivo de desenvolver o Bluetooth [INFOWESTER,
2010].
As comunicaes Bluetooth utilizam a gama frequncias ISM (Industrial Scientific and
Medical), em particular a faixa dos 2,45 GHz. Esta gama de frequncias, por no necessitar de
licena, utilizada por outros protocolos o que pode originar interferncias na comunicao.
Para contornar este problema o Bluetooth implementa o mecanismo FH-CDMA (Frequency
Hopping Code Division Multiple Access). Este mecanismo faz com que a frequncia seja
dividida em vrios canais. Quando um dispositivo est a comunicar troca de canal de uma
forma muito rpida o que reduz a largura de banda e minimiza as hipteses de ocorrer uma
interferncia [INFOWESTER, 2010].
Uma rede de dispositivos Bluetooth denominada por Piconet. Em cada Piconet podem
estar envolvidos at oito dispositivos, sendo que o que inicia a comunicao assume o papel
de master e os restantes so slaves. Um slave pode participar em duas Piconet em simultneo
o que permite expandir a rede de dispositivos (ver Figura 3.3). A uma rede formada por duas
ou mais Piconet d-se o nome de Scatternet.
Figura 3.3: Rede de dispositivos Bluetooth [INFOWESTER, 2010].
23
Os dispositivos baseados na tecnologia Bluetooth esto divididos em trs classes de
acordo com o alcance mximo, so elas:
Classe 1: at 100m (100 mW).
Classe 2: at 10m (2,5 mW).
Classe 3: at 1m (1 mW).
Desde que foi criado o Bluetooth tem sofrido algumas modificaes. As primeiras
modificaes procuraram melhorar questes relacionadas com problemas de segurana e de
interoperabilidade entre dispositivos. As modificaes mais recentes procuraram aumentar a
velocidade de transmisso de dados e reduzir o consumo de energia dos equipamentos.
A verso mais recente do Bluetooth a 4.0, em que a novidade face s verses anteriores
o baixo consumo dos equipamentos. Nesta verso a velocidade de transmisso padro
1Mbit/s. Equipamentos de verses mais avanadas podem comunicar com dispositivos de
verses anteriores, no entanto a velocidade de transmisso mxima definida pelo dispositivo
da verso anterior.
PLC
A tecnologia PLC tem actualmente vrias aplicaes desde fornecimento de servios como
Internet e televiso passando por sistemas de automao residencial, como o X10 ou
LonWorks, ou outros sistemas SCADA. Esta tecnologia no recente, em 1920 era j utilizada
pelas companhias fornecedoras de electricidade em aplicaes de telemetria [INIEWSKI, 2010]
[YOUSULF, 2007].
Esta tecnologia utiliza a rede elctrica como meio de transmisso de dados quer seja a
rede de alta, mdia ou baixa tenso. Este facto apresentado como uma das vantagens desta
tecnologia, sendo que teoricamente os custos de instalao de uma rede de comunicaes
esto apenas confinados aos modem [INIEWSKI, 2010]. A Figura 3.4 mostra o exemplo de uma
rede domstica.
Figura 3.4: Exemplo de rede PLC.
24
As velocidades de transmisso dependem do protocolo utilizado. Por exemplo, o
protocolo X10 permite taxas de transferncia de 50 bit/s em redes elctricas em que a
frequncia 50 Hz no entanto com a tecnologia PLC possvel atingir velocidades superiores a
100 Mbit/s. Um dos problemas apontados ao PLC a sua vulnerabilidade ao rudo induzido por
alguns equipamentos elctricos tais como motores de escovas, lmpadas fluorescentes ou
dimmers [YOUSULF, 2007].
ZigBee
O ZigBee uma tecnologia de comunicaes sem fios baseada no padro IEEE 802.15.4 e
foi pensado para redes de sensores em que as comunicaes so de curto alcance e com
baixas taxas de transferncia de dados.
Os dispositivos baseados no ZigBee so de muito baixo consumo de energia, o que acaba
por ser uma soluo interessante em aplicaes nas quais os sensores ou outros dispositivos
so alimentados por uma bateria. Em aplicaes tpicas de redes de sensores a durao das
baterias pode ir desde meses at anos antes de serem substitudas [GISLASON, 2008].
O ZigBee opera em trs faixas distintas da gama de frequncias ISM, so elas 868 MHz na
Europa, 915 MHz na Amrica e 2,4 GHz global. Em cada faixa existem respectivamente 1, 10 e
16 canais e velocidade mxima de transmisso de dados 250 kbit/s na faixa dos 2,4 GHz
[GISLASON, 2008].
Os dispositivos baseados na tecnologia ZigBee suportam vrias topologias de rede tais
como malha (mesh), rvore (cluster tree) ou estrela (star), entre outras. Uma rede ZigBee
suporta at 65536 dispositivos e podem ser encontrados dispositivos de dois tipos, os FFD (Full
Function Devices) e os RFD (Reduced Function Devices). A Figura 3.5 mostra exemplos de redes
ZigBee com os diferentes tipos de dispositivos.
Figura 3.5: Topologias de rede ZigBee.
25
Quando inserido numa rede ZigBee um dispositivo pode assumir uma de trs funes so
elas, coordenador, retransmissor ou dispositivo terminal. Um FFD por se tratar de um
dispositivo mais complexo pode executar qualquer uma das funes apresentadas, por outro
lado um RFD apenas poder ser um dispositivo terminal.
O coordenador (PAN coordinator) o dispositivo que controla a rede. Este troca
informaes com os dispositivos terminais e tambm responsvel por comunicar com o
exterior da rede, por exemplo um computador ou mesmo outra rede de dispositivos ZigBee.
Quando a distncia entre o coordenador e os dispositivos terminais demasiado extensa
ou no caso de existirem barreiras fsicas entre eles e que afectem a comunicao so utilizados
retransmissores (routers), representado a cor verde na Figura 3.5, que tal como o coordenador
um FFD. A funo deste dispositivo retransmitir a informao enviada pelo coordenador na
direco dos dispositivos terminais ou vice-versa.
Um dispositivo terminal, representado a azul na Figura 3.5, um RFD cuja funo
recolher os dados dos sensores e enviar para o coordenador e tambm controlar alguns
actuadores. Um dispositivo terminal no comunica com outro dispositivo do mesmo tipo,
apenas consegue comunicar com dispositivos FFD quer sejam coordenador ou retransmissor.
Por se tratar de um dispositivo com funcionalidades reduzidas , normalmente, mais barato
que os FFD [GISLASON, 2008].
Para gerir o acesso ao meio de transmisso o ZigBee faz uso do CSMA/CA (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Avoidance). Quando um dispositivo pretende enviar informao
comea por verificar se o canal est livre ou no. Essa verificao feita com base numa
medio da energia espectral do canal em questo ou na deteco do tipo de ocupao do
canal. Aps a verificao se o canal estiver livre o dispositivo inicia a transmisso caso
contrrio aguarda um tempo aleatrio antes de tentar uma nova verificao.
As mensagens trocadas entre dispositivos seguem uma determinada estrutura. Um dos
campos dessa estrutura o FCS (Frame Check Sequence). O valor deste campo calculado pelo
dispositivo que envia a mensagem com base no contedo da mensagem, quando a mensagem
chega ao destino este valor calculado novamente e dever que coincidir com o valor que se
encontra na mensagem, caso contrrio significa que ocorreu um erro na transmisso da
mensagem [GISLASON, 2008].
26
GSM/GPRS
O GSM actualmente a tecnologia de comunicaes mveis mais utilizada. Esta
tecnologia foi desenvolvida na dcada de oitenta pelo Groupe Spcial Mobile no entanto a
primeira aplicao comercial surge na dcada de noventa. O GSM permite efectuar chamadas
de voz e trocar mensagens de texto (SMS) ou multimdia (MMS) de baixo volume de dados
[KIOSKEA, 2009].
Inicialmente o GSM operava em duas faixas de frequncias da gama dos 900 MHz. A faixa
dos 890 a 915 MHz destinava-se transmisso de dados do equipamento mvel para a estao
base, a faixa dos 935 a 960 MHz destinava-se transmisso de dados em sentido contrrio.
Mais tarde foram disponibilizadas para uso do GSM a gama dos 1800 MHz na Europa e dos
1900 MHz na Amrica e por fim a gama dos 450 MHz [FERNANDES, 2006]. A taxa mxima de
transferncia de dados prevista pelo GSM ronda os 9600 bit/s.
A Figura 3.6 mostra alguns dos intervenientes de uma rede GSM. O MSC (Mobile
Switching Center) gerido pelo operador de telecomunicaes. Este equipamento
responsvel por estabelecer as comunicaes entre utilizadores, gerir a sua identidade,
localizao e tambm ligar a rede GSM rede fixa e Internet. A ligao Internet tem como
objectivo armazenar dados relativos aos utilizadores em bases de dados.
O BSC (Base Station Controller) para alm de comunicar com o MSC responsvel gerir a
distribuio de recursos pelas vrias BTS (Base Transceiver Stations). Um equipamento mvel,
por exemplo um telemvel, comunica directamente com a BTS. Cada equipamento mvel
contm um carto SIM (Subscriber Identity Module) que identifica o utilizador na rede GSM.
Figura 3.6: Arquitectura da rede GSM.
27
O GPRS pode ser entendido como um melhoramente do GSM. Com a tecnologia GPRS os
dados so transferidos por pacotes o que permite aumentar a taxa de transferncia face ao
GSM. O valor mximo terico ronda os 170kbit/s mas na prtica um valor mais baixo, cerca
de 115 kbit/s. Outra vantagem o facto de ser possvel facturar em funo do volume de
dados trocado e no por tempo de ligao.
Para ser possvel uma comunicao de dados atravs de GPRS necessrio adicionar dois
equipamentos a uma rede GSM existente, apresentada na Figura 3.6. So eles o SGSN (Serving
GPRS Support Node) que tem como principais funes gerir a localizao dos equipamentos
mveis e servir de interface entre equipamento mvel e o GGSN (Gateway GPRS Support
Node). O GGSN tem como principais funes atribuir um endereo de IP (Internet Protocol) ao
equipamento mvel durante a ligao rede e tambm servir de interface com a rede externa
de dados (Internet) [KIOSKEA, 2009]. A tecnologia GPRS torna possvel que um equipamento
mvel aceda Internet atravs do protocolo de internet (IP) ou X25.
3.2 Microcontroladores
Um micro-controlador, por vezes denominado por MCU ou C, um circuito integrado
que contm no mnimo um microprocessador, memria de dados e de programa e portas de
entrada e sada. Inicialmente os micro-controladores foram concebidos para libertar os CPU
dos computadores de tarefas relacionadas com a gesto de dispositivos perifricos.
Actualmente so utilizados nas mais diversas aplicaes desde brinquedos, cmaras digitais,
electrodomsticos, automveis, entre muitas outras [IBRAHIM, 2010].
Para alm de memria de dados/programa e portas de entrada/sada um micro-
controlador pode integrar outros elementos tais como,
Portas de comunicao (USART, SPI, I2C, USB, entre outras.)
ADC (Analogic to Digital Converter)
Controladores de PWM
Temporizadores
Memria EEPROM
Gerador de PWM
Existem vrios tipos de micro-controladores com diferentes arquitecturas,
funcionalidades e capacidades de processamento. Os mais divulgados so os da famlia PIC,
28
fabricados pela Microchip Technology. Estes micro-controladores possuem arquitectura
Harvard que se diferencia da arquitectura Princeton por ter duas memrias independentes
para dados e para programa, tal como mostra a Figura 3.7.
Figura 3.7: Diagrama de blocos PIC.
Os PIC possuem ncleos de processamento de 8, 16 ou 32bits, e esto disponveis em
diferentes tipos de encapsulamento desde 6 a 100 pinos. A programao dos PIC pode ser feita
com recurso a linguagens de baixo nvel como o caso do Assembler ou em alternativa
linguagens de alto nvel como por exemplo C, Basic ou Pascal [IBRAHIM, 2010]. A Microchip
disponibiliza um software de desenvolvimento com compilador de Assembler integrado, o
MPLAB, no qual possvel desenvolver o programa do PIC. Para transferir o programa para o
PIC necessrio um mdulo de hardware adicional, por exemplo o ICD3 ou PICKit3
comercializados pela Microchip [MICROCHIP, 2010].
3.3 Transdutores
Um transdutor um dispositivo que converte uma determinada grandeza numa outra
grandeza passvel de ser interpretada ou medida por um dispositivo de medio. Por exemplo
um termmetro de mercrio um transdutor de temperatura que converte uma diferena de
temperatura numa diferena de altura (ou volume) passvel de ser interpretado numa escala
numerada. Um termistor ou um termopar so outros exemplos de transdutores de
29
temperatura, no entanto estes convertem uma diferena de temperatura numa diferena de
tenso.
Os transdutores podem ser classificados de vrias formas. Quanto necessidade de
alimentao podem ser classificados como activos ou passivos. Um transdutor activo aquele
que necessita de alimentao para apresentar um valor sada. O passivo utiliza uma parte da
energia de entrada para o seu funcionamento. Quanto ao tipo de indicao podem ser
classificados como de indicao directa ou indirecta. Nos transdutores de indicao directa a
grandeza pode ser lida directamente no transdutor, por exemplo um termmetro de mercrio,
nos de indicao indirecta o valor fornecido pelo transdutor ter ainda que ser convertido para
que possa ser lido, por exemplo o termistor fornece um sinal elctrico que ter que ser
convertido num valor de temperatura seguindo uma determinada equao matemtica
[BAKSHI, 2007].
Se seguida so apresentados exemplos de transdutores de corrente e tenso.
Figura 3.8: (a)Transdutor de corrente por de efeito de Hall; (b) Resistncia de shunt.
A Figura 3.8 (a) mostra o exemplo de um transdutor de corrente por efeito de Hall do
fabricante Lem. Este transdutor fornece sada um sinal de tenso directamente proporcional
corrente que o atravessa. A Figura 3.8 (b) mostra o exemplo de um transdutor de corrente
passivo. Este transdutor colocado em srie a linha de tenso. A diferena de potencial nos
terminais da resistncia directamente proporcional corrente que a atravessa. O valor deste
tipo de resistncias muito baixo, normalmente na casa dos 200 .
Figura 3.9: Transdutor de tenso por efeito de Hall.
(a) (b)
30
A Figura 3.9 mostra o exemplo de um transdutor de tenso por efeito de Hall do
fabricante Lem. Este colocado em paralelo com o circuito que se pretende medir. Para evitar
que a corrente que atravessa o transdutor seja demasiado elevada deve ser colocada uma
resistncia em srie com o primrio. O valor da resistncia depende dos nveis de tenso do
circuito a medir. O transdutor fornece sada um sinal elctrico cujo valor directamente
proporcional tenso que se pretende medir. Em alternativa a esta soluo pode
simplesmente ser utilizado um divisor resistivo que naturalmente fornece sada um sinal
directamente proporcional ao sinal de entrada. Quando se dimensiona o divisor resistivo deve
ter-se em ateno os nveis de tenso envolvidos, quer entrada quer sada, bem como as
potncias que cada resistncia ter que suportar.
Os transdutores de efeito de Hall apesar de serem solues mais dispendiosas oferecem
logo partida isolamento da rede elctrica. Por outro lado a resistncia de shunt e o divisor
resistivo apesar de serem solues mais baratas no oferecem qualquer proteco. O
isolamento do circuito necessrio na maior parte dos casos, e poder ser feito com
transformadores de isolamento entrada da ADC no caso de se tratar de um sinal sinusoidal,
ou com opto-acopladores sada da ADC.
3.4 Analisadores de energia
Um analisador de energia um dispositivo que permite medir vrios parmetros da rede
elctrica tais como Tenso, Corrente, Potncia (Activa, Aparente e Reactiva), Factor de
Potncia e Frequncia.
Existem diversos circuitos integrados que permitem medir alguns ou mesmo todos os
parmetros acima referidos. Estes dispositivos recebem dois sinais analgicos correspondentes
Tenso e Corrente e so convertidos para sinais digitais pelas ADC internas. Depois de
processado o resultado da converso das ADC, os dados so disponibilizados atravs de uma
porta de comunicaes que na maior parte dos dispositivos se trata de uma porta srie SPI. Em
alguns dispositivos a energia consumida apresentada na forma de pulsos de energia em
que cada pulso corresponde uma quantidade fixa de energia [MCP3909, 2009]. A Figura 3.10
apresentada a arquitectura interna do analisador de energia MCP3909 da Microchip.
31
Figura 3.10: Diagrama de blocos do analisador de energia MCP3909 da Microchip.
3.5 Tcnicas de regulao de fluxo luminoso
Pulse Width Modulation
A tcnica de modulao por largura de pulso (PWM) tem vrias aplicaes desde controlo
de potncia, inversores DC/AC, comunicaes digitais entre outras. Existem vrios tipos de
PWM, nesta seco ser apresentado o tipo mais simples.
O sinal de PWM resulta da comutao entre dois nveis de tenso. Este processo gerido
por um dispositivo controlador que poder ser um micro-controlador ou um dispositivo
especfico para controlo de PWM. A comutao entre nveis de tenso origina pulsos cuja
frequncia e largura so definidos pelos dispositivos acima referidos.
Em grande parte das aplicaes a frequncia do sinal PWM na ordem dos kHz e
mantm-se fixa num determinado valor. A largura de pulso ou duty-cycle define a
percentagem do tempo em que o sinal est no nvel alto de tenso, pode variar entre 0 e
100%. Para uma frequncia fixa, quanto menor for a largura de pulso menor a tenso eficaz
aplicada carga e consequentemente menor a potncia fornecida [BARR, 2001]. A Figura
3.11 mostra o exemplo de trs sinais PWM com a mesma frequncia e larguras de pulso
diferentes.
Figura 3.11: Modulao por largura de pulso.
32
Este tipo de PWM, com um circuito de potncia adequado, pode ser aplicado
directamente no controlo de equipamentos alimentados a corrente contnua, por exemplo
lmpadas que utilizam a tecnologia LED.
Controlo do ngulo de disparo
Esta uma tcnica aplicada no controlo de potncia fornecida a diversos equipamentos
alimentados a corrente alterna. A nvel de controlo de iluminao esta tcnica s pode ser
utilizada em lmpadas do tipo incandescente ou halogneo uma vez que a forma da onda
alterada [SANTIAGO, 2006].
O ngulo de disparo () varia entre 0 e 90 o que em termos temporais corresponde a 0 e
10 mili-segundo numa rede elctrica a 50 Hz. Para controlar do ngulo de disparo so
necessrios trs elementos, detector de passagem por zero, Triac e controlador.
Figura 3.12: ngulo de disparo.
O Triac trata-se de um componente electrnico que permite a conduo de corrente em
dois sentidos e tem a particularidade de deixar de conduzir quando a tenso atravessa o zero.
Nessa altura para que retome a conduo necessrio aplicar um pulso de tenso num dos
seus pinos (Gate), o chamado disparo. O ngulo de disparo controlado indirectamente, na
prtica controlado o tempo que decorre entre a passagem por zero e o momento em que se
aplica o pulso de tenso na Gate do Triac.
Este controlo pode ser feito com um circuito analgico baseado no ajuste do tempo de
carregamento de um condensador atravs de um potencimetro. Em alternativa pode ser
utilizado um micro-controlador e um detector de passagem por zero (Zero-Crossing). O
objectivo do detector passa por gerar um pulso ou uma transio entre dois nveis de tenso
sempre que a onda atravessa o zero, o que provoca uma interrupo no micro-controlador. A
funo do micro-controlador gerir o tempo que decorre desde que detectou a passagem por
zero at aplicar um pulso na Gate do Triac.
Segundo [SANTIAGO, 2006] com esta tcnica de controlo a relao entre a tenso eficaz
de entrada (Vi) e a tenso eficaz aplicada carga (V0) pode ser traduzida pela equao 2.
33
)cos(*0 iVV (2)
Auto-transformador varivel
Esta tcnica utiliza um transformador especial denominado por auto-transformador
varivel ou vulgarmente por Variac. Este transformador constitudo por um nico
enrolamento em torno de um ncleo de ferro toroidal partilhado por um primrio com um
nmero de espiras fixo e por um secundrio com um nmero de espiras varivel. um
dispositivo bastante eficiente e pode ser utilizado como redutor ou amplificador de tenso.
A razo de transformao entre o primrio e o secundrio alterada fazendo deslizar uma
escova de carvo nas espiras do enrolamento. A Figura 3.13 mostra o esquema de
funcionamento do auto-transformador. O primrio conectado ao n 1 e 2 do enrolamento e
o secundrio conectado ao n 1 e ao 3 que est solidrio com a escova de carvo. Enquanto
a posio da escova (n 3) se situar entre os ns 1 e 2 o auto transformador funciona como
redutor de tenso, quando a posio da escova vai para alm do n 2 funciona como
amplificador de tenso.
Figura 3.13: Auto-transformador varivel.
Uma grande parte dos fabricantes deste tipo de equipamentos opta por um
encapsulamento em que a escova de carvo est colocada sobre um eixo rotativo. A razo de
transformao pode ser alterada de modo manual fazendo rodar um boto, ou ento de uma
forma automatizada e para isso necessrio acoplar um servomotor ou motor de passo ao
transformador para fazer rodar a escova sobre as espiras. O controlo do motor poder
eventualmente ser feito por um micro-controlador. Para estabilizar a tenso no secundrio so
utilizadas indutncias em srie (boosters).
34
Injeco de tenso em oposio de fase
Esta tcnica utiliza um transformador, denominado por Injector, que constitudo por um
enrolamento primrio e um secundrio com um ou mais pontos intermdios. Adicionalmente
necessrio um sistema de comutao que permita variar a amplitude da contra-tenso
(tenso em oposio de fase) injectada na rede. Este sistema poder eventualmente ser
controlo manual no entanto para automatizar o processo de comutao so utilizados rels.
Em caso de falha do sistema automtico de controlo a tenso sada mantm-se igual
tenso de entrada. A Figura 3.14 mostra o aspecto de um sistema de injeco de tenso em
oposio de fase [ABEL, 2010].
Figura 3.14: Sistema de injeco de tenso em oposio de fase.
A contra-tenso injectada na rede com um desfasamento de 180 em relao tenso
de entrada. A tenso sada tanto menor quanto maior for a amplitude da contra-tenso
injectada na rede, como possvel verificar na Figura 3.15. Este processo no provoca
distoro harmnica da sinuside [ABEL, 2010].
35
Figura 3.15: Injeco de tenso em oposio de fase.
36
37
Captulo 4
Soluo Proposta
Neste captulo feita uma descrio do prottipo desenvolvido. Em primeiro lugar
apresentada a arquitectura da soluo proposta, onde explicada a interaco entre os vrios
elementos e a estrutura das mensagens utilizadas. Seguidamente apresentado o hardware
desenvolvido, onde so discutidos aspectos relacionados com a escolha dos dispositivos que o
compem e o seu funcionamento. Por fim apresentado o software desenvolvido, onde
feita uma descrio da aplicao local em Visual Basic e do portal Web.
4.1 Arquitectura da soluo proposta
A arquitectura proposta (Figura 4.1) passa por uma central de comando e superviso que
poder eventualmente ser instalada num edifcio. Na central existe um computador com
ligao internet no qual corre uma aplicao desenvolvida em Visual Basic, e tambm o
software Xampp.
Na rede de iluminao pblica cada ponto de iluminao possui um mdulo de hardware
que permite efectuar o controlo do fluxo luminoso, medir os consumos da luminria e
potncia, bem como detectar a falha da lmpada.
Para a comunicao entre a central e os pontos de iluminao foi posta de parte a
hiptese de utilizar solues com fios uma vez que implicaria uma alterao estrutural numa
rede existente e o comprimento do barramento de dados seria consideravelmente elevado.
Por outro lado a maior parte dos fabricantes deste tipo de sistema utiliza o GSM/GPRS e o PLC
para comunicao de dados, neste trabalho resolveu-se apresentar uma soluo alternativa.
Assim sendo optou-se por uma soluo sem fios em que a comunicao feita por
radiofrequncia e para isso so usados mdulos wireless XBee, que utilizam a tecnologia
ZigBee. As mensagens enviadas pela central so retransmitidas pelos mdulos XBee at
chegarem ao ponto de iluminao de destino, da mesma forma as mensagens enviadas por um
ponto de iluminao so retransmitidas at chegarem a central.
38
Figura 4.1: Arquitectura da soluo proposta.
So propostos dois tipos de mensagens, uma mensagem de comando (Tabela 4.1) que
enviada pela central para os pontos de iluminao e uma mensagem de dados (Tabela 4.2)
enviada pelos pontos de iluminao para a central que contm os dados adquiridos bem como
o estado da lmpada. Aproveitando o facto da interface de comunicao com os mdulos XBee
ser atravs de RS232 as mensagens so compostas por caracteres ASCII e a deteco de erros
feita com base na identificao de caracteres especiais que iniciam os vrios campos.
Tabela 4.1: Mensagem de comando.
Funo ID Fluxo EOM
0,1 0 - 999 0 - 100 \n 11 byte
O primeiro campo da mensagem define o objectivo da mensagem, 0 para alterar o fluxo
luminoso e 1 pedir os dados recolhidos por um determinado ponto de iluminao e nesse caso
o ponto de iluminao envia uma mensagem com os dados para a central. O campo ID define o
endereo de destino da mensagem, se o endereo for 0 significa que a mensagem se destina a
todos os pontos de iluminao. Com a estrutura proposta o nmero mximo de pontos de
iluminao da rede est limitado aos 999. O campo Fluxo define a percentagem de fluxo
luminoso pretendido. Quando se trata de uma mensagem para pedir dados este campo pode
tomar qualquer valor. Por fim o campo EOM define o caractere de fim de mensagem. Por
39
exemplo, a mensagem F0P001B075\n indica ao ponto de iluminao com o endereo 001
que deve alterar o fluxo luminoso para 75% do valor nominal.
Tabela 4.2: Mensagem de dados.
ID kWh Imp Potncia Estado EOM
1-999 6 byte 6 byte 7 byte 2 byte \n 25 byte
O campo ID define o endereo de origem da mensagem. No campo kWh encontra-se o
nmero de pacotes de energia consumida (cada pacote corresponde a 1 kWh). No campo Imp
encontra-se o nmero de pulsos acumulados aps o registo do ltimo pacote de energia. Cada
pulso corresponde a um valor fixo de energia que posteriormente tem que ser convertido para
kWh. No campo Potncia segue um valor que permite calcular a potncia activa que est a ser
consumida pela luminria5. No campo Estado segue a informao relativa ao estado da
lmpada, 0 caso se encontre operacional ou 1 no caso de se encontrar inoperacional. Por fim o
campo EOM define o caractere de fim de mensagem. A mensagem de dados tem o seguinte
aspecto, PxxxExxxxxIxxxxxTxxxxxxSx\n.
4.2 Hardware
Aps a escolha da arquitectura do sistema, apresentada na seco anterior, partiu-se para
o desenvolvimento dos mdulos de hardware para colocar em cada ponto de iluminao,
sempre em foco numa soluo robusta e de baixo custo. Nesta fase foi necessrio tomar
algumas decises quanto arquitectura do mdulo (Figura 4.2) e escolha de dispositivos que
o compem.
A escolha dos mdulos wireless XBee6 face a outras tecnologias de comunicao sem fio
teve como principais factores de deciso o seu baixo custo, longo alcance e baixo consumo de
energia e tambm o facto de possurem uma interface srie RS232.
A escolha do analisador de energia teve como principal factor de deciso a relao entre o
custo e as funcionalidades oferecidas. Foram considerados vrios dispositivos de trs
fabricantes, Cirrus Logic, Analog Devices e Microchip, sendo que a escolha recaiu no analisador
5 Na seco 4.3 descrito com detalhe a forma como se obtm os valores mencionados.
6 No Apndice A explicado o funcionamento dos mdulos XBee.
40
MCP39097 da Microchip. Na Tabela 4.3 possvel verificar uma comparao entre alguns dos
dispositivos considerados. A informao relativa as funcionalidades de cada dispositivo foi
obtida no Web site do respectivo fabricante, a informao relativa a preos foi obtida no Web
site do distribuidor de material electrnico, Farnell.
Tabela 4.3: Comparao entre vrios modelos de analisadores de energia.
IC Pulso de Energia SPI V,IRMS V,I Inst. PActiva PAparente PReactiva Preo*
CS5463 3.03
CS5462 **
ADE7753 2.38
ADE7755 1.78
MCP3906 1.40
MCP3909 1.45
* encomendas iguais ou superiores a 1000 unidades.
** preo no encontrado.
A escolha do micro-controlador recaiu no PIC16F877A com encapsulamento de 40 pinos.
Este possui portas de comunicao srie USART e SPI, uma ADC de 10 bits com 8 canais, dois
mdulos CCP (Compare/Capture/PWM), um temporizador de 16 bits e dois de 8 bits, uma
EEPROM interna de 256 bytes, memria de dados com 368 bytes e de programa com 14.3
kbytes, entre outras funcionalidades. Inicialmente ponderou-se utilizar uma EEPROM externa
para armazenar dados e parmetros de configurao, inclusivamente chegou a ser estudado o
seu funcionamento, no entanto uma anlise mais cuidada demonstrou que a memria
EEPROM interna do micro-controlador era suficiente para este trabalho. No apndice B deste
documento descrito o funcionamento da EEPROM estudada.
Neste trabalho foram aplicadas duas tcnicas de controlo de fluxo luminoso. Para
lmpadas do tipo incandescente ou de halogneo foi utilizada a tcnica de controlo do ngulo
de disparo, para lmpadas do tipo LED foi utilizada a tcnica de PWM, sendo que esta ltima
foi apenas simulada com um LED de alto brilho.
Foram seleccionados para este trabalho dois transdutores de efeito de Hall do fabricante
Lem. O transdutor de tenso LV 25-P [LV25P] e o de corrente LTS 15-NP [LTS15NP]. A escolha
7 No Apndice C explicado o funcionamento do analisador MCP3909.
41
destes transdutores teve como principais factores de deciso o facto de oferecerem
isolamento galvnico da rede elctrica e uma excelente linariadade, apesar do seu custo
elevado quando comparado com outro tipo de transdutores.
Figura 4.2: Arquitectura do mdulo de hardware.
Para que seja na medio dos consumos de energia seja includo o consumo do prprio
mdulo obrigatrio respeitar a arquitectura apresentada na Figura 4.2. Seguindo a linha de
tenso, em primeiro lugar surge o transdutor de corrente, para que seja medida toda a
corrente que atravessa o circuito. Depois, vem o transdutor de tenso e a fonte de
alimentao. Por fim surge o equipamento de controlo do fluxo luminoso.
Os transdutores de tenso e corrente fornecem sada sinais analgicos sinusoidais
correspondentes tenso e corrente, respectivamente. Estes sinais tm que ser condicionados
por hardware auxiliar para que correspondam s especificaes de entrada do analisador de
energia.
Neste trabalho no foi utilizada a interface SPI do analisador de energia, a medio dos
consumos de energia foi conseguida atravs do processamento de pulsos de energia
fornecidos pelo analisador, sendo possvel obter a energia activa e potncia activa.
42
Existem dois tipos de pulso, dois de baixa frequncia, o par FOUT0 e FOUT1, e um de alta
frequncia, o HFOUT, e cada pulso corresponde a uma determinada quantidade de energia8.
Seguidamente so discutidos alguns aspectos relacionados com o desenvolvimento do mdulo
de hardware apresentado nas Figuras 4.3 e 4.4.
O mdulo de hardware
Figura 4.3: Esquema elctrico do mdulo de hardware.
O mdulo XBee e o micro-controlador operam a nveis de tenso diferentes,
respectivamente 3.3V e 5V, pelo que foi necessrio implementar um conversor de nveis de
tenso nas linhas de comunicao de dados. A soluo adoptada consiste em utilizar um
divisor resistivo para baixar o nvel de tenso, os valores escolhidos para as resistncias foram
5k e 10k, o que para uma tenso de entrada de 5V corresponde a 3.33 V sada. Para elevar o
nvel de tenso foi utilizado um MOSFET e duas resistncias de pull-up, como mostra a Figura
4.3.
8 Na seco 4.3 descrito com detalhe a forma como so processados os pulsos de energia.
43
O detector de passagem por zero consiste num transformador que isola o circuito da rede
elctrica e baixa os nveis de tenso. De seguida o sinal resultante aplicado na base de um
transstor, depois de passar por um divisor resistivo. Neste circuito o transstor comporta-se
como um inversor lgico, sempre que o sinal da tenso atravessa o zero este deixa de conduzir
corrente e o nvel de tenso do colector toma o valor lgico 1, neste caso 5V. O micro-
controlador permite activar pull-up internos na porta B, pinos RB0 a RB7, pelo que no foi
utilizado um pull-up externo entre o colector do transstor e os 5V.
O disparo do TRIAC controlado por uma sada digital do micro-controlador. Para isolar o
circuito optou-se por utilizar um opto-acoplador entre a gate do TRIAC e a sada digital do
micro-controlador.
Figura 4.4: Esquema elctrico do mdulo de hardware (Transdutores e MCP3909).
O transdutor de corrente Lem LTS 15-NP conectado em srie com a linha de tenso
atravs dos pinos 1 (entrada) e 4 (sada). Est preparado para monitorizar valores de corrente
entre 0 e 15ARMS, no entanto possvel definir como valores nominais mximos 5, 7.5 ou
15ARMS configurando os restantes pinos (ver Figura 4.5). Para este trabalho foi seleccionada a
opo de 5ARMS.
Figura 4.5: Diagrama de pinos do transdutor LTS15-NP.
44
Assim sendo, para uma corrente de 5ARMS o transdutor fornece sada 625mVRMS com
uma componente DC de 2.5V. Apesar do analisador de energia possuir um filtro passa alto
decidiu-se implementar um filtro passa alto simples com uma frequncia de corte de
aproximadamente 0.48 Hz, para tal utilizou-se um condensador de valor 10F e uma
resistncia de 33k em que a frmula de calculo utilizada foi ( RC**2 )-1. O nvel de tenso
mximo permitido no canal de corrente do analisador 470mVRMS pelo que os 625mVRMS
correspondentes a uma corrente de 5ARMS provocam a saturao do canal. Na prtica apenas
possvel medir valores de corrente at cerca de 3.5ARMS, o que para uma luminria comum
manifestamente suficiente.
O transdutor de tenso Lem LV25-P conectado em paralelo com a linha de tenso.
Segundo o fabricante a corrente nominal no primrio deve rondar os 10mARMS, assim sendo
necessrio colocar uma resistncia em srie com o primrio. Com base na tenso da rede e a
corrente do primrio, o valor terico da resistncia 23k e dever dissipar uma potncia de
2.3W. No entanto foi escolhida uma resistncia de 25k de 5W. Este transdutor alimentado
com +15V e -15V o que levou a construir uma fonte de alimentao mais complexa (ver Figura
4.6).
sada do transdutor colocada uma resistncia de medida que converte a corrente no
secundrio em tenso. O fabricante aconselha uma resistncia de valor compreendido entre
100 e 350, sendo que o valor escolhido foi 180. Com esta resistncia o transdutor
apresenta sada um valor de tenso que ronda os 4.5VRMS, valor este que demasiado
elevado para o canal de tenso do analisador de energia, pelo que foi necessrio adicionar um
divisor resistivo ao circuito com uma razo de reduo terica de 11:1.
Os pinos F0, F1 e F2 permitem configurar a frequncia dos pulsos de energia, os pinos G0
e G1 permitem configurar o ganho do canal de corrente e o pino HPF permite ligar ou desligar
os filtros passa alto do analisador. Nestes pinos foram adicionados jumpers para tornar
possvel a configurao manual nesta fase de desenvolvimento do prottipo.
Para garantir que todos os dispositivos presentes no mdulo de hardware so
alimentados correctamente foi desenvolvida uma fonte de alimentao regulada (Figura 4.6)
com quatro nveis de tenso, -15V, +15V, +5V e +3.3V.
45
Figura 4.6: Esquema elctrico da fonte de alimentao.
Depois de estudado o funcionamento dos vrios componentes partiu-se para o
desenvolvimento do software a implementar no micro-controlador. O cdigo foi desenvolvido
em linguagem C recorrendo ao software MPLAB IDE verso 8.10 disponibilizado pela
Microchip. O complicador de C utilizado foi o High-Tech C Compiler verso 9.7. A figura 4.7
mostra o diagrama de fluxo do software implementado.
O micro-controlador comea por ler alguns parmetros de configurao da sua EEPROM
interna. Seguidamente so configurados os parmetros da comunicao srie RS232,
permisso de interrupes, temporizadores e portas de entrada e sada. Por fim, entra num
ciclo infinito responsvel por duas tarefas, controlar o tempo de disparo do TRIAC e processar
as mensagens que chegam por porta srie. A gesto das interrupes fica a cargo de uma
rotina de servio interrupo, esta responsvel por gerir vrios tipos de eventos, desde
recepo de caracteres na porta srie, pulsos aplicados nos pinos do micro-controlador, RB0,
RB4/5 e RC2, pulsos estes que correspondem deteco da passagem por zero, pulsos de
energia FOUT0 e FOUT1 e pulso de energia HFOUT, respectivamente.
Na porta srie sempre que chegam caracteres diferentes de \n estes so armazenados
num buffer. Quando chega o caractere \n significa que a mensagem est completa e que
pode ser processada.
Quando no pino RB0 detectado um pulso indicado, atravs de uma varivel auxiliar,
que a funo responsvel por controlar o TRIAC que pode iniciar o processo de controlo.
Existem trs situaes possveis, caso o valor do fluxo luminoso pretendido seja 100%
aplicada uma tenso constante de 5V gate do TRIAC para que este esteja sempre em
conduo. Caso o valor do fluxo luminoso seja 0% no aplicada tenso para que o TRIAC no
conduza corrente, nos restantes casos aps a deteco da passagem por zero aguardado um
46
determinado perodo de tempo, at 10ms no mximo, e de seguida aplicado um pulso na
gate do TRIAC controlando desta forma o ngulo de disparo.
Sempre que nos pinos RB4 e RB5 detectado algum pulso de energia FOUT0 ou FOUT1
incrementado um contador de pulsos. Como j foi referido cada pulso corresponde a um valor
fixo de energia, sempre que o contador atinge um determinado valor que corresponde a 1kWh
de energia, incrementado e guardado na EEPROM interna o contador de energia acumulada.
Aps esta operao reiniciado o contador de pulsos.
O pino RC2 est associado ao mdulo de captura do micro-controlador, mdulo este que
permite registar o tempo decorrido entre dois eventos. Neste caso o evento o pulso de
energia HFOUT. O tempo registado depois armazenado numa varivel temporria para ser
utilizado no clculo da potncia activa.
Figura 4.7: Diagrama de fluxo do software.
47
O mdulo de comunicaes da central
O mdulo de comunicaes (Figura 4.8) utilizado para conectar o mdulo XBee porta
srie do computador que est localizado na central. Para converter os nveis de tenso entre o
mdulo e a porta srie, ou eventualmente um adaptador RS232-USB, foi utilizado um MAX232
do fabricante Maxim. A alimentao da placa poder ser feita atravs de um cabo USB do tipo
A-B ou por uma fonte de alimentao capaz de fornecer no mnimo 3.3V DC.
Figura 4.8: Esquema elctrico da placa de comunicao com o PC.
4.3 Clculos auxiliares
Para ser possvel interpretar os pulsos de energia fornecidos pelo analisador de energia
fundamental saber a que quantidade de energia corresponde cada pulso. Esse clculo feito
com base numa equao matemtica [MCP3909, 2009] que relaciona a frequncia dos pulsos
de energia com o valor de tenso nos canais de corrente e tenso do analisador de energia.
2
10
)(*2
****06.8
REF
COUT
V
FGVVF
A equao 3 traduz a frequncia dos pulsos de energia FOUT0 e FOUT1 em funo dos nveis
de tenso RMS aplicados entrada dos canais de corrente e de tenso (V0 e V1), da tenso de
referncia (VREF), do ganho do canal de corrente (G) e do parmetro (FC) que depende da
(3)
48
configurao dos pinos F0 e F1 e do valor do cristal utilizado no analisador de energia. Neste
trabalho foi utilizado um cristal de 4MHz e foi definido que F0 = 1 e F1 = 1 o que resulta num
valor de FC = 15.258 Hz, este valor foi obtido atravs de uma
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