Aplicação da IoT para sistemas de medição de energia

 Resumo 

O intuito desse projeto é desenvolver metodologias e testes para aplicação dos recursos de Internet das Coisas para os sistemas de medição de energia, bem como fornecer dados em tempo real, de forma a proporcionar melhorias técnicas no que tange as métricas de desempenho, tomadas de ações em equipe em atuação no processo de manutenção preventiva ou corretiva. Realizar estudo de viabilidade técnica e operacional analisando-os antes da execução, observando pontos fortes e fracos dessa aplicação, vertentes positivas do mercado, bem como trabalhar em ações para redução de custos das tarifas e proporcionar estratégias para implementar procedimentos de eficiência energética dos equipamentos, como também trazer retorno financeiro aos clientes em razão do seu investimento.

 Abstract 

The objective of this work is to develop methodologies and tests for the application of Internet of Things resources for the of energy measurement systems, considering that it is a market with great potential to modernize its management and control systems, as well as provide real-time data, in order to provide technical improvements in terms of performance metrics, taking team actions in the preventive or corrective maintenance process. The technical and operational feasibility study actions are very important points to analyze even before the execution of the project, observing strengths and weaknesses of the application, positive aspects of the market, as well as working on actions to reduce the cost of tariffs and provide strategies to implement procedures for energy efficiency of equipment, as well as bringing financial return to customers due to their investment.

 Introdução 

Zanon (2020) explana que com a crescente tecnologia presente no mundo em diversas áreas, variadas formas de geração de energia elétrica entraram neste processo de modernização, de forma a aumentar seu sistema de produção, como também elevar seu nível de rendimento em operação máxima. Essas ações têm como objetivo conceder ao consumidor final o fornecimento absoluto de energia elétrica, de forma a proporcionar o seu consumo para inúmeras atividades do cotidiano.

Para mensurar e controlar os valores de energia elétrica gerada, como também aquilo que é consumido pelos clientes, as companhias de energia elétrica do Brasil adotam a utilização de sistemas para realizar a medição de energia consumida, como também medir os valores gerados por seus sistemas internos, proporcionando a capacidade de realizar a gestão dos sistemas elétricos como um todo.

Campos (2021) ressalta que com o ascendente desenvolvimento de tecnologias para proporcionar melhorias em seus sistemas produtivos, os sistemas de geração e medição de energia necessitam de elementos que sejam capazes de mensurar os dados lidos em campo, como também possuir a capacidade de criar regras em que sejam aplicadas metodologias para proporcionar um consumo mais eficiente de energia, bem como diminuir os gastos em seu consumo.

Para atender esta necessidade, existem diversos sistemas de automação compostos por equipamentos eletrônicos, que podem realizar a gestão de insumos, bem como gerar relatórios de consumo de energia elétrica, fornecendo dados com extrema exatidão sobre aquilo que está sendo consumido.

Através de pesquisa de mercado, estudos assíduos referente ao assunto, e reuniões com integrantes do grupo, foi definido como tema-problema o estudo e o desenvolvimento de um projeto sobre a ideia da Aplicação do IoT para Sistemas de Medição de Energia.

A aplicação dos recursos da Internet das Coisas em sistemas de medição de energia é a maior motivação para a realização deste trabalho, tendo em vista o conhecimento adquirido durante o curso acerca dos diversos sistemas de geração e unidades consumidoras de energia, bem como a verificação das grandezas elétricas medidas onde a análise do consumo necessita ser estudada.

Este trabalho é constituído por três capítulos:

Capítulo 1 - Fundamentação Teórica: é tratado de uma forma mais clara acerca da utilização de elementos de internet das coisas como um todo, além da sua utilização em sistemas de medição de energia.

Capítulo 2 - Métodos e Materiais: encontram-se os métodos essenciais para construir o protótipo bem como a utilização dos materiais para tal desenvolvimento.

Capítulo 3 – Montagem do Protótipo e Testes: descreve a elaboração do projeto como um todo, além da análise dos resultados obtidos e a aplicação de melhorias.

E finalizando, as Considerações Finais: trata-se, em linhas gerais de uma análise e retomada dos assuntos que foram abordados desde a justificativa para efetuar este trabalho, bem como a sua finalização, apontando as relações entre os fatos verificados e os elementos teóricos, as realizações obtidas, pontos fortes e fracos e sugestões para alterações futuras.

 1. Fundamentação teórica 

 1.1 Setores de consumo brasileiro 

Segundo a ABRADEE (2018), a tarifa de consumo trata-se do preço cobrado por unidade de energia (R$/kWh), ou seja, sua essência se resume na formação dos custos de energia elétrica gerado até a sua disponibilização aos consumidores, sendo eles residenciais, comerciais, industriais e etc. As ações que envolvem os processos de geração, distribuição e manutenção dos elementos de fornecimento de energia elétrica, são meios que envolvem um grande trabalho para manter toda a instrumentação necessária em operação, sendo que tais atividades geram custos para as empresas que trabalham com todo procedimento de provisão de energia elétrica.

Baseado no fornecimento e garantia da estabilidade do sistema, as unidades consumidoras usufruem da energia elétrica fornecida pela concessionária, de forma a dar andamento em seus processos internos para desenvolvimento de suas atividades individuais, ou em grupo, como no caso dos setores comerciais, industriais e rurais, que dependem do fornecimento de energia elétrica para trabalharem com equipamentos de médio a grande porte. Com isso, a concessionária realiza o cálculo de consumo de energia elétrica, tendo como parâmetro a realização das medições dos elementos consumidores e calculando o valor usufruído ao longo do mês, através de ferramentas medidoras (ABRADEE, 2018).

Mattede (2022) ressalta que as unidades consumidoras de energia elétrica passam por um processo de medição de insumos, de forma a verificar a quantidade de dados alocados para operar seus equipamentos e demais cargas. Com isso, é relacionado através do kWh (quilowatt-hora), sendo a unidade de medida de energia elétrica usufruída pela carga em função do tempo. Dessa relação, é possível realizar o seguinte cálculo para obtenção do consumo de energia elétrica: 

Onde:

C = Consumo do equipamento pelo tempo (kWh);

P = Potência ativa do equipamento (W);

T = Tempo de uso do equipamento (horas).

De acordo com a ABRADEE (2018), a composição tarifária se dá pelo agregado complexo de custos, no qual envolvem os custos com geração, transmissão e distribuição de energia elétrica; perdas de energia na rede, tributos e demais encargos (estaduais, municipais e esfera federal). A Figura 1.1 apresenta a estruturação tarifária média no Brasil, sendo exibido cada montante fundamental para realizar o cálculo do valor da conta:

Figura 1.1: Destinação dos recursos recolhidos na tarifa de energia elétrica

Fonte: abradee.org.br, 2018.

Santos (2019), ressalta que os preços referentes a tarifa de energia elétrica possuem influências externas que acabam gerando impactos no fornecimento, distribuição e consumo como um todo, resultando desta forma no aumento dos valores a serem cobrados aos consumidores. Fatores ambientais, bem como econômicos são elementos que resultam na variação dos dados a serem calculados nas tarifas, resultando no aumento significativo dos preços cobrados aos clientes.

De acordo com o EPE (2021), nos últimos cinco anos houve uma variação significativa quanto ao consumo de energia pelas classes consumidoras em todo o país. Segundo o órgão, isso se dá com o crescimento de recursos tecnológicos que geraram um aumento na produtividade dos setores comerciais, bem como a utilização de insumos para o bem do lar, como também em áreas que estão distantes dos centros tecnológicos e econômicos. A Figura 1.2, mostra a variação média das tarifas cobradas às unidades consumidoras ao longo de cinco anos, bem como o seu crescimento nos setores industriais, comerciais e consumo próprio.

Figura 1.2 - Tarifas médias por classe de consumo (R$/MWh)

Fonte: epe.gov.br, 2021.

 1.2 Medidores de energia e redes elétricas inteligentes 

Com o crescimento de metodologias e sistemas tecnológicos para geração e distribuição de energia elétrica, as concessionárias de energia necessitam de meios para realizar a mensuração dos insumos que são solicitados a ela, uma vez que a energia elétrica é fornecida às unidades consumidoras. Em virtude deste cenário, as empresas administradoras adotaram como padrão a utilização de medidores de energia para aferir os valores de energia usufruído pelos clientes, de forma a realizar o cálculo médio da tarifa a ser instaurada para o consumidor.

Segundo a ABB (2021), medidor de energia é um equipamento que tem por objetivo realizar a medição dos valores de tensão, corrente e potência de uma rede de energia. Através desse equipamento é efetuada a medição de energia elétrica em sistemas alternados (AC).

Mattede (2022) acrescenta que os medidores de energia possuem a importante característica de medir os valores consumidos de energia elétrica pelos clientes e realizar o detalhamento do consumo em kWh para as distribuidoras de energia. Com isso, a possibilidade de analisar o consumo real de energia de cada cliente torna-se uma ação mais palpável, como também funcional e permitindo ao usuário final analisar o quanto foi gasto ao longo do período de uso.

O medidor é um equipamento muito utilizado por diversas classes de consumidores, que por sua vez, analisam os dados das grandezas elétricas medidas e, fazendo uso do seu sistema de controle interno, realiza os cálculos dos valores de potência de toda a unidade consumidora. A Figura 1.3 mostra um modelo de medidor de energia capaz de integrar em sistemas inteligentes de medição:

Figura 1.3 - Medidor de energia eletrônico

Fonte: advantech.com.br, 2022.

Segundo Ferreira (2012), os smart meters, ou medidores inteligentes, são dispositivos medidores com capacidade de processar, armazenar e realizar comunicação com demais equipamentos e sistemas, que podem ir muito além do consumo propriamente dito. Neste caso, eles permitem a troca de informações em tempo real, bidirecionalmente entre cliente final e distribuidor de energia, permitindo o monitoramento das grandezas elétricas, bem como mensurar a qualidade de energia. A Figura 1.4 mostra o monitoramento de energia baseado nas leituras efetuadas pelos medidores eletrônicos:

Figura 1.4 - Monitoramento do consumo de energia elétrica

Fonte: mercatoautomacao.com.br, 2022.

As ações de mensuração do consumo de energia elétrica, bem como a modernização dos sistemas de energia, permitindo a sua interligação entre diversos elementos possibilita a conectividade entre dispositivos, facilitando a análise e o controle dos sistemas onde os medidores são aplicados. Com essa modernização e adequação dos sistemas elétricos aos novos elementos de conectividade, torna-se possível a ampliação de redes inteligentes, ou smart grids.

Rivera (2013), detalha que o conceito de smart grid veio para revolucionar as características da concepção do sistema de controle para energia, trazendo esta área ao novo mundo de conectividade e integração de dispositivos a internet. Isso permite que o consumidor final tenha em mãos um relatório detalhado do consumo de energia elétrica em seu período de uso, bem como propor ações em automatizar seus sistemas de aplicação, programar ações que tragam eficiência, em termos financeiros, bem como a produtividade da operação.

Fracari (2015), afirma que a eficiência gerada por redes inteligentes excede as expectativas de seus objetivos traçados, trazendo relatórios eficientes de consumo e horários, maior direcionamento do fluxo de energia para regiões que necessitam de maior demanda, possibilidade de detectar fraudes em sistemas elétricos, rastreando a unidade consumidora que está praticando alguma ligação ilegal, como também programar ações de manutenção em pontos que são identificados problemas causados por intervenção humana, ações da natureza, paradas programadas e etc.

 1.3 Conceitos de internet das coisas 

Oracle (2022) destaca que a Internet das Coisas (IoT) objetiva-se na integração em rede de objetos físicos incorporados a sensores, softwares e outras tecnologias que visam conectar e trocar dados com quaisquer dispositivos e sistemas pela internet, sendo que estes podem variar desde objetos domiciliares básicos, até mesmo a equipamentos industriais complexos.

Além disso, a Internet das Coisas também pode incluir pessoas, animais e demais objetos com sensores incorporados, não se submetendo somente conectividade de objetos simples e sem independência, concedendo a possibilidade de conectividade de entre todos os envolvidos nos mais variados setores de utilização, seja eles urbanos, rurais, industriais e etc.

Além da possibilidade de proporcionar interconectividade entre pessoas, dispositivos e variadas redes de sistemas, a IoT disponibiliza melhor gestão de tempo para ações de comando em sistemas automatizados de controle de processos e análise de dados, bem como a eficiência de recursos e tomada de decisões mais precisa, utilizando maior quantidade de dados e concedendo melhor tempo de resposta.

Amazon (2022) aponta alguns de muitos benefícios na aplicação dos recursos de Internet das Coisas para os ambientes de aplicação industrial, comercial, energia e demais ramos de negócios, sendo estes:

• Aumento da segurança de informação, possibilitando o monitoramento do tráfego de dados e montagem de arquitetura para proteção das informações;
• Desenvolvimento de recursos para programação de sistemas autônomos de controle de processos industriais, comerciais;
• Elaboração de programas de Inteligência Artificial e Aprendizado de Máquina para desenvolvimento de atividades diárias em processos industriais, agropecuários, hidroenergéticos e etc;
• Proporcionar a inovação de sistemas de automação de atividades e tarefas que resultem em maior eficiência e resultados satisfatórios.

Oracle (2022) aponta que a Internet das Coisas é uma das tecnologias mais importantes do presente século, uma vez que é possível conectar objetos do cotidiano, como eletrodomésticos, eletroeletrônicos, automóveis, bem como a integração de edifícios e outros estabelecimentos comerciais ou residenciais à internet, usando equipamentos tragam esta conectividade, possibilitando o monitoramento de dados e a gestão dos sitemas de controle para proporcionar maior eficiência dos sistemas. A Figura 1.5 exemplifica este tipo de ação:

Figura 1.5 – Conectividade de Dispositivos com IoT

Fonte: aws.amazon.com, 2022.

 1.4 Introdução ao MQTT 

De acordo com a IBM (2018), MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) trata-se de um protocolo de comunicação, baseado no padrão TCP/IP, utilizado para trocar mensagens entre pequenos dispositivos em uma pequena largura de banda ou conexões elevadas, de forma a enviar mensagens da maneira mais confiável.

Neri (2019) ressalta que um sistema MQTT se fundamenta na comunicação entre cliente e servidor, sendo que o primeiro elemento pode realizar inserção de mensagens de dados, bem como a captação das informações cedidas por outro cliente e o segundo elemento administra os dados recebidos e os que serão enviados.

A origem deste protocolo é oriunda da necessidade promover um protocolo simples e que possua a capacidade de comunicar diversos equipamentos entre si, sendo tal capacidade de comunicação provisionada por microcontroladores para obtenção de dados em uma frequência de transmissão leve entre máquinas e sensores, algo que não é visto com tal eficiência no protocolo HTTP.

Santos (2022) destaca que no protocolo MQTT, a publicação e o recebimento de dados são efetuados mediante a um servidor chamado de Broker, como também será acompanhado de um cliente que possuirá o papel de Publisher (Publicador), que fará a transmissão da mensagem proposta, tendo um tópico de destino e junto do conteúdo da mensagem, classificado como Payload. Tal mensagem será gerida pelo Broker, que encaminhará ao Subscriber aquilo que foi previamente detalhado no tópico da mensagem.

Tendo tal linha de comunicação entre os elementos, é possível que o cliente se torne um Subscriber, desde que apenas encaminhe uma solicitação ao Broker que será capaz de estabelecer uma ligação entre cliente e o tópico propriamente dito. A Figura 1.6 mostra um exemplo de arquitetura entre dispositivos, utilizando o protocolo MQTT.

Figura 1.6: Exemplo de comunicação em MQTT

Fonte: mqtt.org, 2022.

De maneira simplificada, tal comunicação pode ser dividida nas seguintes nomenclaturas:

• Subscriber (Subscrito): Personagem inscrito no tópico de mensagens, responsável por ser o receptor de dados;
• Publisher (Publicador): Trata-se do emissor que fará o envio de dados para um tópico pré-determinado;
• Broker: Gerenciador de informações entre Publisher e Subscriber para o envio de mensagens entre as partes;
• Client (Cliente): Elemento que pode enviar e receber dados oriundos do Broker;
• Mensagem (Message): Refere-se aos dados que são trocados entre os clientes presentes e o Broker existente;
• Payload: Conteúdo presente na mensagem enviada.

Neri (2019) aponta que no processo de envio de informações entre um cliente e um Broker, existem procedimentos de verificação de mensagens de ponta a ponta classificados como Qualidade de Serviço (QoS), que tem como objetivo realizar a interceptação das mensagens enviadas entre um cliente MQTT e um broker, de forma a verificar se o payload enviado chegou ao receptor, apresentando uma mensagem de confirmação. As Qualidades de serviço do protocolo MQTT são classificadas de três maneiras, sendo elas:

• QoS 0 (No máximo uma vez): A mensagem é enviada somente uma vez e não há passos subsequentes, tampouco existe um retorno para confirmar se chegou ao destinatário;
• QoS 1 (Ao menos uma vez): A mensagem é enviada ao Broker ao menos uma vez, de maneira que o cliente aguarda a confirmação da chegada da mensagem ao seu receptor;
• QoS 2 (Precisamente uma vez): A mensagem é entregue precisamente uma vez, tendo a necessidade que a mensagem enviada seja armazenada no emissor e no receptor de destino até que seja processado tal dado.

MQTT.ORG (2022) ressalta grandes vantagens na utilização do protocolo MQTT, sendo elas:

•  Comunicação bi-direcional entre equipamentos em rede;
• Criptografia de dados e certificações de autenticação para aumentar a segurança da informação;
• Apresenta suporte para trabalhar em redes instáveis e inseguras;
• Conectividade com muitos dispositivos voltados para Internet das Coisas.

 1.5 Microcontrolador ESP8266 

De acordo com Morales (2020), com o passar dos anos, as plataformas de programação para sistemas de automação entraram em fase de atualização para se adaptarem ao novo mundo tecnológico, em que a necessidade de fornecer respostas imediatas aos requerentes tornou-se imprescindível. Muitos equipamentos foram desenvolvidos para atender as demandas de informações rápidas, de forma a conceder dados precisos e com a possibilidade de integrar com sistemas de gestão, atuando em métricas de produtividade e operação como um todo. Controladores Programáveis (CLP), sistemas de controle baseado em PC, remotas I/O e demais dispositivos são elementos desenvolvidos para atender os mais variados setores em que existe a necessidade da aquisição de dados, bem como a visualização dos sistemas em tempo real, de forma a proporcionar um sistema inteligente e operacional.

Em virtude desta crescente tecnologia no mundo, diversos desenvolvedores trabalharam e ainda trabalham em fornecer às pessoas ferramentas de programação que possuam baixo custo e alta capacidade de aprendizado, concedendo a capacidade de desenvolver projetos de pesquisa, bem como estruturar sistemas de automação de pequeno porte, para simular situações práticas de grande escala. Recentemente, a plataforma nodeMCU foi desenvolvida para colocar em prática este sistema, trazendo a possibilidade de aprendizado em eletrônica e linguagem de programação a desenvolvedores iniciantes. Porém, com o crescimento exponencial da tecnologia e a necessidade da conectividade dos elementos com os sistemas, foi desenvolvido o controlador ESP8266, capaz de trabalhar com ambiente de programação, bem como conectá-lo à internet através do seu receptor Wi-Fi.

Souza (2016), ressalta que o microcontrolador ESP8266 oferece uma solução integral de controle, programação e aquisição de dados por Wi-Fi, permitindo a hospedagem de uma página Web ou fazer consultas em outras páginas, apresentando-se como cliente na rede. Em outras palavras, trata-se de uma ferramenta muito interativa e com grande capacidade de integrar com outros sistemas que estão conectados à internet, além de ser um dispositivo de baixo custo, possibilitando o acesso irrestrito à plataforma e o desenvolvimento de sistemas utilizando este módulo. A Figura 1.7 mostra um exemplo do módulo ESP8266:

Figura 1.7 - Módulo ESP8266

Fonte: usainfo.com.br, 2022.

Segundo Graça (2017), o ESP8266 pode ser programado por scripts utilizando a linguagem C++, tendo com isso a facilidade de entendimento técnico no momento em que a elaboração da rotina de programação dos elementos é preparada. Como se trata de uma linguagem intuitiva, a capacidade de aprendizado torna-se algo muito mais real, trazendo ao programador novas possibilidades de desenvolver novos projetos em outras aplicações.

Oliveira (2017), salienta que a grande versatilidade do microcontrolador ESP8266 e sua plataforma de desenvolvimento open source, permite que sua programação seja feita no mesmo ambiente de desenvolvimento de programação da linha Arduino, porém com a capacidade de carregar o código de programação através do Wi-Fi. Trata-se de uma excelente vantagem, principalmente em simulações de projetos, onde o ESP8266 está em um local em que o acesso ao ponto é muito difícil e há a necessidade de comandar o equipamento para executar as funções de controle nele programadas. A Figura 1.8 mostra a utilização do ambiente de programação do Arduino podendo ser utilizado para parametrizar o ESP8266:

Figura 1.8 - Ambiente de Programação do ESP8266

Fonte: filipeflop.com, 2022.

 2. Métodos e maneiras 

Nesta parte encontram-se os métodos, técnicas e ações utilizadas no desenvolvimento do projeto Aplicação do IoT Para Sistemas de Medição de Energia. Para executar o tema, foi essencial efetuar um levantamento teórico de referências necessárias, de forma a trazer sustentação técnica à escolha do tema preterido para estudo e desenvolvimento.

 2.1 Justificativa 

A escolha deste tema para estudo e aplicação se dá pela crescente oportunidade de desenvolvimento de projetos para a área de energia, visto que é um mercado que está aos poucos aderindo aos elementos de conectividade e integração a demais plataformas de medição de energia, gestão e controle. Em análises técnicas com os integrantes do grupo, foi percebida os pontos citados anteriormente, bem como fomentar a criação de novos projetos e explorar cada vez mais este mercado promissor.

 2.2 Diagrama de funcionamento do projeto 

Para melhor compreensão acerca do tema do projeto, apresenta-se um diagrama de blocos que é a referência para o desenvolvimento da Aplicação do IoT Para Sistemas de Medição de Energia, conforme ilustra a Figura 2.1.

Figura 2.1 - Diagrama de funcionamento do projeto

Fonte: Autoria própria, 2022.

 2.3 Ações teóricas e práticas para o desenvolvimento do projeto 

Após estruturar todos os pontos teóricos que concedem a sustentação do tema-problema, bem como sua justificativa e descrição de funcionamento do projeto como um todo, parte-se para a elaboração do cronograma de atividades que irá pautar as diretivas referentes a construção do projeto, conforme ilustra a Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Cronograma de atividades para realizar o projeto

Fonte: Autoria própria, 2022.

Tendo como base a montagem do cronograma para estruturar todas as atividades pertinentes ao desenvolvimento do protótipo, bem como toda documentação comprobatória que embasa o tema-problema, parte-se para o levantamento dos materiais para a construção do protótipo, utilizando como referência sites e lojas especializadas. A Tabela 2.2 apresenta o levantamento orçamentário dos elementos que estruturam o protótipo.

Tabela 2.2 – Materiais para construção do projeto

Fonte: Autoria própria, 2022.

Com as diretivas de atividades relacionadas ao projeto presentes no cronograma, bem como a realização do levantamento de custos dos itens direcionados para a construção do protótipo, parte-se para o procedimento de montagem e realização de testes do projeto.

  3. Montagem do protótipo e testes 

  3.1 Montagem da estrutura mecânica 

A estrutura mecânica que irá comportar os elementos voltados para a realização das medições de energia das cargas instaladas, é um elemento muito importante para a composição do projeto como um todo, uma vez que ela é responsável por suportar todos os equipamentos eletrônicos subjacentes, proporcionando a organização dos dispositivos.

Para construir a estrutura mecânica do protótipo segue-se: seleção da chapa de madeira, medição das áreas de fixação das cantoneiras, instalação das cantoneiras nos locais determinados. A Figura 3.1 apresenta a estrutura sendo montada.

Figura 3.1 – Estrutura em montagem

Fonte: Autoria própria, 2022.

Com as cantoneiras fixadas, parte-se para o processo de medição das áreas em que serão executados cortes na chapa, bem como o a realização do corte destes pontos, de forma a proporcionar local para a instalação do medidor de energia, bem como a inserção das tomadas, conforme ilustra a Figura 3.2.

Figura 3.2 – Ajuste de layout para instalação dos dispositivos

Fonte: Autoria própria, 2022.

Após a realização do processo de medição e corte dos locais de instalação das tomadas e do medidor de energia, faz-se a inserção de papel adesivo na chapa de madeira na parte frontal e traseira, finalizando todo processo de construção mecânica, conforme ilustra a Figura 3.3.

Figura 3.3 – Estrutura mecânica finalizada

Fonte: Autoria própria, 2022.

 3.2 Montagem eletrônica e testes via MQTT 

Após a construção mecânica do protótipo, prossegue-se com a montagem eletrônica e testes para validação do conjunto, sendo este passo um componente muito importante para a aplicação dos recursos de Internet das Coisas na medição de energia.

Para fazer a leitura de dados do medidor de energia, através da utilização do microcontrolador ESP8266, faz-se necessário a utilização de um conversor serial para sinais em TTL, composto por um pequeno circuito eletrônico que é responsável por codificar os dados seriais fornecidos pelo medidor, transformando-os em sinais hexadecimais. A Figura 3.4 apresenta o circuito conversor em questão.

Figura 3.4 – Circuito conversor Max RS485

Fonte: datasheets.maximintegrated.com, 2022.

Tendo tal conversor para a integração do microcontrolador ESP8266 com o medidor de energia, faz-se a ligação eletrônica do circuito para proceder com os testes, conforme ilustra a Figura 3.5.

Figura 3.5 – Circuito eletrônico

Fonte: Autoria própria, 2022.

Após a montagem eletrônica, faz-se a programação do microcontrolador ESP8266 no ambiente de programação IDE Arduino. Para realizar a leitura dos valores Modbus do medidor de energia, deve-se realizar uma verificação dos dados lidos mediante a uma rotina de verificação em que é possível verificar a vericidade dos dados lidos, bem como o endereço lógico que o medidor irá ter. A Figura 3.6 exibe a lógica em questão.

Figura 3.6 – Ajuste da programação

Fonte: Autoria própria, 2022.

Com os ajustes de programação do microcontrolador ESP8266 para leitura dos valores Modbus, faz-se a integração com o Broker MQTT para disponibilizar os dados de leitura na nuvem. Para isso, configura-se o ESP8266 em sua programação para possuir conexão à internet, através do usuário e senha do provedor de internet local.

Para a integração com o Broker MQTT, utiliza-se o provedor HiveMQ, responsável pelo gerenciamento dos dispositivos que estão conectados à internet, provendo desta forma, a visualização dos dados enviados pelo ESP8266. Neste caso, com a conexão ajustada com o QoS em 0, pode-se visualizar os dados enviados pelo microcontrolador ao Broker, conforme ilustra a Figura 3.7.

Figura 3.7 – Recebimento de dados no broker

Fonte: Autoria própria, 2022.

Com os dados criptografados enviados via MQTT, faz-se a utilização de blocos de função no qual realiza o processo de conversão dos valores e atribui-os em uma variável, na qual é possível verificar os valores fornecidos pelo medidor de energia. Tal recurso é provido pela plataforma Node-Red, na qual define-se as grandezas de leitura a serem exibidas, conforme ilustra a Figura 3.8.

Figura 3.8 – Blocos de função para conversão de valores

Fonte: Autoria própria, 2022.

 3.3 Teste com carga e resultados finais 

Diante dos processos realizados outrora, fez-se a construção definitiva do projeto, conforme mostra a Figura 3.9.

Figura 3.9 – Projeto Finalizado

Fonte: Autoria própria, 2022.

Para a verificação dos dados do medidor de energia visíveis no computador, faz-se a inserção de uma carga na tomada, de forma a permitir a mensuração dos valores lidos. Posteriormente a isso, observa-se os dados fornecidos pelo visor do medidor, conforme ilustra a Figura 3.10.

Figura 3.10 – Dados de leitura do medidor

Fonte: Autoria própria, 2022.

Com as estruturas de conexão de equipamentos, bem como a integração dos sistemas com a internet, faz-se possível analisar os dados de cada parâmetro lido da carga conectada, conforme ilustra a Figura 3.11.

Figura 3.11 – Leitura de dados do medidor pelo computador

Fonte: Autoria própria, 2022.

 4. Considerações finais 

Este projeto tem como objetivo principal realizar procedimentos de aplicação dos recursos de Internet das Coisas para sistemas de medição de energia, permitindo a capacidade de proporcionar análises mais detalhadas das grandezas elétricas medidas de quaisquer cargas em que se faz a utilização de medidores de energia.

O desenvolvimento deste projeto justifica-se pela capacidade de desenvolver sistemas de medição de energia, utilizando ferramentas de baixo custo, bem como plataformas de supervisão e desenvolvimento totalmente gratuitas. Tal independência de projeto, proporciona grande capacidade de integração com os mais variados sistemas de supervisão e controle presentes no mercado, bem como o desenvolvimento próprio de uma ferramenta para gestão de dados.

As pesquisas realizadas para a elaboração deste projeto foram importantes para apresentar todo o embasamento teórico, bem como sua constatação durante o processo de construção do protótipo, uma vez que a aplicação de recursos de Internet das Coisas voltadas para sistemas de energia, trata-se somente em exemplos laboratoriais de aplicação, desde leituras simples, ou até mesmo a construção do equipamento.

Durante o desenvolvimento do projeto ocorreram pequenos obstáculos como falhas no reconhecimento dos dados Modbus do medidor ao conectá-lo no microcontrolador ESP8266, que foram imediatamente resolvidos mediante pesquisas e conhecimento dos integrantes do grupo.

Para possíveis melhorias, aconselha-se a integração do sistema com um banco de dados, no qual poderá armazenar todos os valores obtidos pela leitura dos equipamentos, sem perder quaisquer informações já obtidas. Além disso, como forma de melhoria futura, é a utilização de plataformas de monitoramento como Grafana, em que é possível exibir os dados diretamente do banco de dados, de forma mais organizada e estruturada, permitindo a confecção de interfaces mais abrangentes aos consumidores.

 5. Referências eletrônicas 

<https://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/156909/000905722.pdf?seque>. Acesso em 09 abr 2022.

MATTEDE, H. Medidor de enrgia elétrica, tipos e características. Disponível em: <https://www.mundodaeletrica.com.br/medidor-de-energia-eletrica-tipos-caracteristicas/>. Acesso em 10 abr 2022.

MQTT. Mqtt: the standard for iot messaging. Disponível em: <https://mqtt.org/>. Acesso em 05 ago 2022.

NERI, R, LOMBA, M, BULHÕES, G. Mqtt. Disponível em: <https://www.gta.ufrj.br/ensino/eel878/redes1-2019-1/vf/mqtt/>. Acesso em 01 ago 2022.

OLIVEIRA, P.C. Uso do microcontrolador ESP8266 para automação residêncial. Disponível em: <http://repositorio.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10019583.pdf>. Acesso em 12 abr 2022.

ORACLE. O que é iot?. Disponível em: <https://www.oracle.com/br/internet-of-things/what-is-iot/>. Acesso em 28 jul 2022.

SANTOS, G. Protocolo mqtt: o que é, como funciona e vantagens. Disponível em: <https://www.automacaoindustrial.info/mqtt/>. Acesso em 03 ago 2022.

SANTOS, T.L.V. Mercado de energia elétrica - análise do comportamento de uma empresa dentro das perspectivas de mercado. Disponível em: <https://www2.ufjf.br/engenhariadeproducao/wp-content/uploads/sites/322/2017/11/thaislouisevasconcelossantos.pdf>. Acesso em: 12 abr 2022.

SOUZA, M.V. Domótica de baixo custo usando princípios de IoT. Disponível em: <https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/22029/1/MarceloVarelaDeSouza_DISSERT.pdf>. Acesso em: 17 abr 2022.

ZANON, V.R, ROMANCINI, E.M.R, MORALES, A.S. Monitoramento inteligente do consumo de energia elétrica em residências utilizando recursos de iot. Disponível em: < https://periodicos.univali.br/index.php/acotb/article/view/18743/10773 >. Acesso em 18 abr 2022. 

Graduandos de Engª Elétrica

   Redes sociais: 

 

CURSO E ALUNOS:

Estudantes do 9° semestre do curso de Engenharia Elétrica do centro universitário FMU: Vinicius Almeida Oliveira, Orçamentista de sistema, atua na montagem de soluções da área de segurança eletrônica (controle de acesso, CFTV e alarme de instrução) e BMS. Murilo Jovelino de Souza, Técnico em eletrônica, montador de equipamentos eletroeletrônicos e reparador de circuitos eletrônicos. Daiani Florêncio da Silva Nunes, Estagiária de projetos BIM, Auxilia no detalhamento de plantas, análises qualitativas e a modelagem de projetos, auxílio na padronização dos processos em BIM. Ezequiel Santana Vieira Estagiário em eletrônica, realiza reparo de equipamentos eletrônicos de telecomunicações através de soldas e rotinas da área. Matheus Almeida Ribeiro, Analista de aplicação em sistemas de automação Industrial, atua na montagem de soluções da área de automação industrial, utilizando equipamentos voltados para internet das coisas, além da prestação de suporte técnico em equipamentos de automação.

PROFESSORES E ORIENTAÇÃO:

Antônio Tavares de França Junior engenheiro eletricista formado pela UNIDERP desde 2004 com experiência em eficiência energética e NR12 , mestre pela UNESP campus Júlio de Mesquita Filho, com vivência de mais de dez anos em docência universitária nos cursos de Engenharia Elétrica, Engenharia de Produção, Engenharia de Controle e Automação, Engenharia Mecânica e na Pós-graduação da Engenharia de Segurança do Trabalho e em cursos técnicos profissionalizantes de Eletrotécnica, Automação e Segurança do Trabalho. Atualmente é professor orientador no curso de engenharia elétrica do Centro Universitário FMU.