WALLACE VILAS BOAS SIQUEIRA [email protected] O MICROCONTROLADOR ARDUINO COMO UMA CENTRAL DE MONITORAMENTO DE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Produção do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Minas Gerais como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Produção. Orientador(a): Marcelo Silva Governador Valadares – MG 2014 1 ATA DE DEFESA Aos ___ dias do mês de _______de ______, às ___ horas, na sala ___ deste instituto, foi realizada a defesa do Trabalho de Conclusão de Curso pelo (a) aluno (a) ______________________________, sendo a comissão examinadora constituída pelos professores:_________________________________________________________________ _________________________________________________________. O (a) aluno (a) apresentou o trabalho intitulado: __________________________________ ___________________________________________________________________________. A comissão examinadora deliberou, pela ________________ do(a) aluno (a), com a nota_______. Na forma regulamentar foi lavrada a presente ata que é assinada pelos membros da comissão examinadora e pelo (a) aluno(a). Governador Valadares, ____ de ________ de ______. ___________________________________ Professor(a) Orientador(a) ____________________________________ Convidado(a) ____________________________________ Convidado(a) ____________________________________ Aluno (a) 2 TERMO DE RESPONSABILIDADE O texto do trabalho de conclusão de curso intitulado “O Microcontrolador Arduino como uma Central de Monitoramento de Consumo Residencial de Energia Elétrica” é de minha inteira responsabilidade. Declaro que não há utilização indevida de texto, material fotográfico ou qualquer outro material pertencente a terceiros sem o devido referenciamento ou consentimento dos referidos autores. Governador Valadares, 03 de novembro de 2014 _______________________________________ Wallace Vilas Boas Siqueira 3 Dedico esta conquista a Deus, a mim mesmo, a minha família, aos meus amigos, ao meu futuro trabalho. Tudo em ordem de importância. 4 AGRADECIMENTOS Agradeço a minha família pelo apoio durante toda a jornada. Aos docentes por transferirem conhecimento de alta qualidade e nortear os estudos para o melhor caminho. As amizades feitas no ambiente acadêmico que irão perdurar para toda a vida. A equipe ELLO pelo ótimo serviço prestado à comunidade acadêmica. A minha namorada pela compreensão dos momentos difíceis e necessários. A todos que me auxiliaram direta ou indiretamente para a concretização desta etapa. 5 “Happiness is only real when shared.” Christopher McCandless 6 R E S U MO SIQUEIRA, Wallace Vilas Boas. O Microcontrolador Arduino como uma Central de Monitoramento de Consumo de Energia Elétrica, 2014. (Graduação em Engenharia de Produção). Instituto Federal de Minas Gerais – Campus Governador Valadares-MG. Os custos com energia elétrica seja em residências ou em indústrias, podem representar uma grande parte do orçamento mensal dos clientes. Monitorar estes custos de forma eficiente pode em alguns casos significar a otimização dos mesmos. Na era da dependência de energia para as tarefas mais básicas do ser humano, os custos com energia têm aumentado constantemente e o consumidor brasileiro não possui uma forma prática para monitorar a evolução do valor de sua fatura mensal. Para tentar resolver este problema, o presente trabalho visa desenvolver uma central de monitoramento de consumo energético com o uso de um sensor de corrente acoplado ao micro controlador Arduino. Tal projeto consiste em exibir para o cliente final o valor em reais do seu consumo de energia instantaneamente. Palavras-chave: arduino; micro controlador; energia elétrica; sensor de corrente; consumo de energia elétrica. 7 ABSTRACT The electricity costs either in homes or in industries may represent a large part of the monthly budget of the customers. Monitoring these costs can efficiently in some cases mean optimization thereof. In the era of energy dependence for the most basic tasks of a human being, energy costs have steadily increased and the Brazilian consumer has no a practical way to monitor changes in the value of your monthly bill. To try to solve this problem, this paper aims to develop a central monitoring energy consumption using a current sensor coupled to the microcontroller Arduino. This project consists of display to the end customer on the value of your actual power consumption instantly. Key-words: arduino; microcontroller; eletric power; current sersor; consumption of eletric power. 8 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Conta de Luz CEMIG 20 Figura 2.2 Tarifa CEMIG homologada pela ANEEL 21 Figura 2.3 Arduino 24 Figura 2.4 Especificações Arduino 25 Figura 2.5 IDE Arduino 26 Figura 2.6 Interface Tera Term Pro 27 Figura 2.7 Sensor de corrente SCT-013 28 Figura 2.8 Características físicas do sensor SCT-013 28 Figura 2.9 Protoboard 830 29 Figura 2.10 Esquema de fluxo de atividades de Baxter 31 Figura 4.1 Esquema do modelo proposto 33 Figura 4.2 Valor real de tensão fornecida para a residência 35 Figura 4.3 Teste com lâmpada de 60W 36 Figura 4.4 Medição com o sensor e multímetro 37 Figura 4.5 Teste com ferro de passar de 1200W 38 Figura 4.6 Interface do sistema (Tera Term PRO) 39 Figura 5.1 Início da medição (medidor analógico) 40 Figura 5.2 Final da medição (medidor analógico) 40 9 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 5.1 Evolução do consumo (kWh) 41 Gráfico 5.2 Consumo instantâneo de potência 42 10 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Especificações do sensor SCT-013 27 Tabela 4.1 Custos do projeto 29 11 LISTA DE EQUAÇÕES Equação 2.1 Equação para o cálculo do valor da conta de luz 17 Equação 2.2 Equação da tensão 18 Equação 2.3 Equação da corrente elétrica 18 Equação 2.4 Equação da energia 19 Equação 2.5 Equação da potência elétrica 19 Equação 2.6 Equação da energia em Wh 19 Equação 2.7 Equação da energia em kWh 19 12 LISTA DE APÊNDICES APÊNDICE 1 Código de calibração do sensor 51 APÊNDICE 2 Código final para monitoramento 52 13 ABREVIATURAS, SIGLAS E CONVENÇÕES ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica 13 CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais 13 ICMS Imposto Sobre Circulação de Mercadorias e Prestação de Serviço 17 PC Personal Computer 19 LED Light Emitting Diode 20 USB Universal Serial Bus 20 IDE Integrated Development Environment 21 ABEPRO Associação Brasileira de Engenharia de Produção 25 14 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ 8 LISTA DE GRÁFICOS .............................................................................................................. 9 LISTA DE TABELAS ............................................................................................................. 10 LISTA DE EQUAÇÕES .......................................................................................................... 11 LISTA DE APÊNDICES ......................................................................................................... 12 ABREVIATURAS, SIGLAS E CONVENÇÕES .................................................................... 13 SUMÁRIO ................................................................................................................................ 14 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 16 1.1 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA .............................................................................. 17 1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 17 1.3 OBJETIVOS .................................................................................................................. 18 1.3.1 Objetivo Geral ............................................................................................................ 18 1.3.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 18 1.4 2 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................. 19 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................... 20 2.1 CÁLCULO DO VALOR DA CONTA DE ENERGIA ELÉTRICA ............................ 20 2.2 TENSÃO E CORRENTE ELÉTRICA.......................................................................... 22 2.3 ENERGIA E POTÊNCIA ............................................................................................. 22 2.4 SISTEMAS EMBARCADOS ....................................................................................... 24 2.4.1 O ARDUINO ................................................................................................................... 24 2.4.1.1 IDE DO ARDUINO .............................................................................................. 25 2.4.1.2 TERA TERM PRO 3.1.3....................................................................................... 26 2.4.1.3 SENSOR DE CORRENTE NÃO INVASIVO ..................................................... 27 2.4.1.4 PROTOBOARD 830 ............................................................................................. 28 2.5 ENGENHARIA DO PRODUTO .................................................................................. 29 2.6 PLANEJAMENTO DO PRODUTO ............................................................................. 29 2.7 CRIANDO NOVOS PRODUTOS INOVADORES ..................................................... 31 3 METODOLOGIA ............................................................................................................. 32 3.1 4 CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA ............................................................................. 32 APRESENTAÇÃO DO MODELO PROPOSTO ............................................................. 33 4.1 DESCRIÇÃO DAS ETAPAS DE DESENVOLVIMENTO ........................................ 33 4.1.1 AQUISIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS E COMPONENTES .................................. 34 4.1.2 TESTES E CALIBRAÇÃO DO SENSOR ................................................................ 34 4.1.2.1 TESTE DE TENSÃO ............................................................................................. 35 4.1.2.2 CALIBRAÇÃO DO SENSOR DE CORRENTE .................................................. 36 15 4.1.2.3 TESTE LÂMPADA DE 60 W ............................................................................... 36 4.1.2.4 TESTE FERRO DE PASSAR DE 1200 W ........................................................... 37 4.1.3 CÓDIGO-FONTE PARA CÁLCULOS DE CONSUMO......................................... 38 5 RESULTADOS E ANÁLISES ......................................................................................... 39 6 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 43 6.2 RECOMENDAÇÕES.................................................................................................... 44 Referências ............................................................................................................................... 45 ANEXOS .................................................................................................................................. 47 APÊNDICES ............................................................................................................................ 50 16 1 INTRODUÇÃO O consumo de energia elétrica no Brasil aumentou e a causa disso pode estar além do crescimento populacional. De acordo com Loureiro (2009), ao longo dos últimos anos, o Brasil tem experimentado um constante crescimento econômico e este pode ser uma das causas de elevação do consumo de energia elétrica. Devido às consequências sobre a política energética no Brasil e sobre os preços praticados nesse setor, os temas relacionados aos parâmetros utilizados nas projeções e planejamentos do setor energético possuem alto interesse público (D’ARAUJO apud LOUREIRO, 2009). Segundo Loureiro (2009), os estudos realizados para obtenção dos custos indiretos com a energia ainda são mal compreendidos e as tarifas sobem a cada ano. Como exemplo da situação atual, a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) definiu na segunda-feira do dia 07/04/2014, o índice de 14,24% de reajuste da tarifa de energia elétrica da CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais) para o consumidor residencial e 14,21% para consumidores industriais (BELO HORIZONTE, 2014). O custo da energia comprada pelas distribuidoras basicamente têm aumentado em razão de três fatores: o uso das usinas térmicas (mais caras), que começou no ano passado, para compensar a escassez de água nos reservatórios das hidrelétricas, a falta de contratos de longo prazo — que forçou as empresas a buscarem energia no mercado livre — e assinatura de novos contratos de longo prazo já com preços mais altos (MÔNICA TAVARES, 2014). Na era da evolução tecnológica e da dependência de energia elétrica, o consumidor final pode tomar um susto a cada conta que recebe no mês, pois não possui uma forma simples e prática para saber o quanto consome de energia diariamente nem os custos acumulados do consumo ao longo do mês. No intuito de resolver a problemática relatada, o presente trabalho busca projetar e desenvolver o protótipo de um dispositivo capaz de monitorar diariamente e em tempo real, o consumo de energia elétrica através de um sensor de corrente elétrica em uma indústria ou residência. O protótipo deverá informar ao consumidor o valor acumulado de sua conta a cada dia, em qualquer tempo, sem que seja necessário ir até os medidores nem realizar cálculos para prever o valor da conta. Além do acesso instantâneo às informações relativas à conta, será possível que o consumidor detecte problemas de medição como defeitos no medidor do padrão de energia ou 17 equipamentos consumindo a mais do que deveriam, pois, se o dispositivo acusar alto consumo com aparelhos elétricos desligados, pode-se ter indício de desperdício. Para que isso fosse possível, lançou-se mão do uso de um sensor de corrente elétrica acoplado ao micro controlador Arduino para a medição do consumo, processamento dos dados e geração de relatórios em tempo real acerca do consumo acumulado. 1.1 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA Conforme a população aumenta, espera-se que a demanda pela energia elétrica também aumente. A energia elétrica é fundamental para a geração de riquezas e para a melhoria social de uma população. Possui grande importância por ser um insumo básico para toda a sociedade (LOUREIRO, 2009). De acordo com o ultimo balanço energético nacional, o consumo residencial total no país representou um aumento de 5,1% entre os anos de 2008 e 2012. Ainda com os dados do balanço, a tarifa média de energia elétrica no Brasil teve um aumento de 7,8% no mesmo intervalo (ANUÁRIO ESTATÍSTICO DE ENERGIA ELÉTRICA, 2013). No que se refere à tarifa média de energia elétrica industrial, o Brasil se enquadra na 12° posição das tarifas mais caras do mundo e para tarifas residenciais ocupa a 26° posição (ANUÁRIO ESTATÍSTICO DE ENERGIA ELÉTRICA, 2013). Consequentemente, a cada aumento nesse setor, o consumidor deve reservar uma maior porcentagem do orçamento mensal para as despesas com energia. 1.2 JUSTIFICATIVA Diante dos constantes aumentos nas tarifas de energia elétrica, repassadas ao consumidor pelas concessionárias responsáveis, é de suma importância que esse cliente final tenha acesso instantâneo à evolução do valor de sua respectiva conta ao longo do mês. Munido dessas informações em tempo real, o consumidor não levaria susto ao receber a conta no fim do mês, pois iria prever o valor conforme a evolução do consumo. 18 Monitorando o consumo diariamente, o consumidor também poderia iniciar um racionamento em qualquer tempo se assim achar conveniente para reduzir o valor da próxima conta, otimizando então o consumo no estabelecimento monitorado. Além dessas vantagens, problemas de medição como defeitos no medidor, equipamentos consumindo energia exageradamente e desperdícios poderiam ser detectados. Por se tratar da elaboração de um protótipo, o presente estudo também se faz muito útil ao se colocar em prática conhecimentos em programação e eletrônica bem como conceitos de engenharia do produto, gestão de custos e viabilidade econômica adquiridos ao longo do curso de engenharia de produção. 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo Geral O presente trabalho visa desenvolver o protótipo de um dispositivo capaz de monitorar o consumo de energia elétrica em um estabelecimento qualquer com limite de corrente elétrica de até 100 ampères. 1.3.2 Objetivos Específicos Desenvolver o protótipo de um dispositivo capaz de monitorar instantaneamente o consumo diário e cumulativo de energia elétrica; Colocar em prática conhecimentos de eletrônica e programação adquiridos ao longo do curso de engenharia de produção; Adquirir conhecimentos acerca do micro controlador Arduino e sua DSL (domain specific language), linguagem de programação inspirada em C e C++ utilizada pela plataforma Arduino; Aprofundar os conhecimentos em circuitos e componentes elétricos direcionando os estudos para aplicação prática no modelo proposto. 19 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO O presente trabalho está estruturado e dividido em capítulos da seguinte forma: no segundo capítulo serão apresentados alguns conceitos práticos e teóricos, além de definições importantes para o trabalho desenvolvido. No capítulo 3 são apresentadas as ferramentas escolhidas para desenvolver o sistema de monitoramento e a metodologia de desenvolvimento do trabalho. Os resultados do projeto proposto, juntamente com os testes de eficiência serão apresentados no capítulo 4. Por fim, no capítulo 5 serão apresentados os resultados e análises do trabalho. As conclusões e sugestões para trabalhos futuros estão disponíveis no capítulo 6, seguidas pelas referências, anexos e apêndices. 20 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Para que se compreenda toda a metodologia empregada no neste trabalho, é importante que se apresente os vários conceitos e definições tanto do equipamento utilizado quanto da teoria baseada na obtenção dos resultados. Os conceitos serão apresentados a seguir de forma clara e objetiva, sendo evidenciadas as fontes utilizadas no levantamento bibliográfico. 2.1 CÁLCULO DO VALOR DA CONTA DE ENERGIA ELÉTRICA No Brasil, os métodos de cálculo da conta de energia elétrica se diferenciam de acordo com a concessionária de energia e a cidade em questão. Para todos os efeitos, tomouse como base a forma de cobrança para baixa tensão praticada em Governador Valadares – MG, que é atendida pela CEMIG. A faixa de baixa tensão serve para clientes residenciais, comerciais, industriais e rurais. Na figura 2.1 e no anexo 1 é possível verificar o modelo da conta de luz utilizada pela CEMIG. Figura 2.1 – Conta de luz CEMIG Para cada companhia energética, a ANEEL homologa constantemente a tarifa expressa em R$/kWh (reais por quilowatt-hora) que irá vigorar para tais companhias. Essa tarifa não contempla tributos e outros elementos que fazem parte das contas de luz, tais como: 21 ICMS, Taxa de Iluminação Pública e Encargo de Capacidade Emergencial (BRASILIA, 2014). O quilowatt-hora é a principal variável no cálculo do valor da fatura de energia, pois, ela mede o efetivo consumo de energia em um período de tempo. O website da CEMIG disponibiliza detalhadamente as etapas de cálculo para a fatura de energia elétrica. Dessa forma, o valor final X da fatura de energia de baixa tensão em Governador Valadares pode ser encontrado pela equação 2.1: X = (kWh x TA) + IP + E (2.1) Onde: X = Valor total da fatura kWh = Consumo em kWh TA = Tarifa homologada pela ANEEL IP = Contribuição para Custeio de Iluminação Pública E = Encargos como multas e outras cobranças que não fazem parte do cálculo básico Atualmente, a tarifa vigente homologada pela ANEEL no ano de 2014 para a CEMIG é de R$ 0,39642 por kWh conforme a figura 2.2. Figura 2.2 – Tarifa CEMIG homologada pela ANEEL 22 2.2 TENSÃO E CORRENTE ELÉTRICA Tensão (ou diferença de potencial) é a energia necessária para mover uma unidade de carga através de um elemento; é medida em volts (V) (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Pode ser definida pela razão entre a quantidade de energia W medida em Joules (J) e a carga Q: V= W Q (2.2) Sendo: V = Tensão (Volts); W = Energia (W); Q = Carga (C); A corrente elétrica é por definição a taxa de fluxo de cargas elétricas através de uma superfície (TIPLER; MOSCA, 2009) – geralmente essa superfície é a seção transversal de um fio condutor. Sendo ∆Q (medida em Coulombs) a carga que flui através da área da seção transversal do fio no tempo ∆t, a intensidade da corrente I medida em Ampères será: I= ∆Q ∆t (2.3) Sendo: I = Corrente (A); ∆Q = Variação da carga (C); ∆t = Tempo em segundos (s); 2.3 ENERGIA E POTÊNCIA Energia é a capacidade de realizar trabalho. É medida em joules (J) ou ainda em watt-segundo e Potência é a variação da energia (liberada ou absorvida) em função da variação do tempo, medida em watts (W) (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Sendo assim a Energia consumida ou fornecida será definida como: W = Pt Sendo: (2.4) 23 W = Energia (watt); P = Potência (watt por segundo ou j/s); t = Tempo em segundos (s); A potência será encontrada pela equação x: P = VI (2.5) Sendo: P = Potência (watt por segundo ou j/s); V = Tensão (Volts); I = Corrente (A); A princípio, o tempo utilizado nos cálculos de potência será expressado em segundos. No entanto para fins práticos, será utilizado o Wh (watt-hora) e o kWh (quilowatthora). Portanto a energia consumida será dada por: Energia(Wh) = potência(W) x tempo(h) (2.6) Ou por: Energia(kWh) = potência(W) x tempo(h) 1000 (2.7) 24 2.4 SISTEMAS EMBARCADOS Para Filho (2009), os “sistemas embarcados” (embedded systems) são dispositivos que participam da nossa vida sem que os percebamos. São dedicados a uma tarefa específica e interagem com o ambiente por meio de sensores e atuadores de maneira contínua e, sem travamentos e panes; sendo compostos, essencialmente, pelos mesmos itens de um PC: processador, memória, interfaces e etc. “..., podemos definir os “sistemas embarcados” como sistemas de processamento digital que possuem o seu próprio software de controle (firmware), armazenado em uma memória contida no seu circuito eletrônico (ou em um chip) e que, na atualidade, de uma forma geral, são empregados na maioria dos equipamentos eletrônicos...” (FILHO, 2009, p.173) 2.4.1 O ARDUINO Segundo Michael McRoberts, autor do livro Beginning Arduino (Arduino Básico) traduzido pela editora Novatec, o Arduino (Figura 2.3) pode ser definido como uma plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com o ambiente através de hardware e software. Em termos simples o autor resume o Arduino como um pequeno computador que se pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. Os componentes de entrada podem ser sensores, botões, potenciômetros. Os componentes de saída podem ser displays, LED’s, motores, cartões de memória, entre outros. Figura 2.3 – Arduino 25 A placa Arduino UNO R3 (versão utilizada neste trabalho) é composta por um microprocessador Atmel AVR, um cristal ou oscilador (relógio simples que envia pulsos de tempo em uma frequência especificada, para permitir sua operação ne velocidade correta) e um regulador linear de 5 volts (MCROBERTS, 2011). Além desse e outros componentes eletrônicos, a placa possui 14 entradas digitais, 6 analógicas, um botão reset para reiniciar o micro controlador, uma conexão USB (Universal Serial Bus) que pode ser usada como fonte de energia e como ponte na comunicação com um computador e um conector jack que serve para alimentação do Aduino com uma fonte externa. A figura 2.4 mostra as especificações detalhadas da placa. Figura 2.4 – Especificações Arduino Atualmente o Microcontrolador Arduino possui uma infinidade de aplicações que vão desde automação completa de sistemas elétricos residenciais até a construção de robôs controlados remotamente. 2.4.1.1 IDE DO ARDUINO Para que se possa programar o Arduino, é necessário a utilização do IDE (Integrated Development Environment) do Arduino, ou seja, um ambiente integrado para desenvolvimento de software. O IDE do Arduino é um software livre no qual você escreve o código na linguagem que o microcontrolador compreende (baseado na linguagem C). O IDE 26 permite que se escreva um programa de computador, que é um conjunto de instruções passo a passo, das quais pode-se fazer o upload para o Arduino. Após isso, o Arduino executará essas instruções interagindo com os componentes a ele conectados (MCROBERTS, 2011). A figura 2.5 mostra a interface do IDE do Arduino. Figura 2.5 – IDE Arduino Como o hardware e o software do Arduino são de fonte aberta, a tecnologia pode ser usada livremente por qualquer pessoa e com qualquer propósito. Sendo assim inúmeras placas-clone de circuito impresso são encontradas no mercado na maioria das vezes com preços muito mais baixos do que a placa original Arduino. Essas placas genéricas interagem perfeitamente com o IDE do Arduino e são permitidas por lei, podendo atender as necessidades do desenvolvedor sem problema algum. 2.4.1.2 TERA TERM PRO 3.1.3 O Tera Term Pro 3.1.3 é um programa que auxiliou na geração de relatórios do advindos do Arduino. É um software open-source lançado pela empresa japonesa Ayera Technologies que emula terminais computacionais. Um dos terminais dos computadores 27 atualmente é a porta USB presente nos equipamentos e como o Arduino se comunica via porta USB, o Tera Term é capaz de capturar as informações transferidas via porta serial e exibi-las em sua interface que pode ser vista na figura 2.6. Figura 2.6 – Interface Tera Term Pro 3.1.3 O Tera Term Pro foi escolhido para substituir a interface do Arduino devido sua facilidade de manipular os dados após as medições realizadas e a capacidade de personalização da interface. 2.4.1.3 SENSOR DE CORRENTE NÃO INVASIVO Para o cálculo da potência consumida e obtenção dos custos com energia será utilizado um sensor de corrente não invasivo modelo SCT-013 (figura 2.7). Este sensor trabalha em uma escala de 0 a 100 ampères e temperaturas entre -25°C e 70°C segundo especificações do fabricante. A tabela 2.1 mostra as especificações detalhadas. Tabela 2.1 – Especificações do sensor SCT-013 Fonte: www.yhdc.com 28 Figura 2.7 – Sensor de corrente SCT-013 Este modelo foi escolhido devido sua facilidade de ser clipado ao circuito de testes sem a necessidade de ligação entre fios. O sensor então trabalha “abraçando” o fio onde passa a corrente e enviando os dados para o micro controlador que realiza os cálculos de consumo. A figura 2.8 mostra as características físicas do equipamento. Figura 2.8 – Características físicas do sensor SCT-013 2.4.1.4 PROTOBOARD 830 A protoboard (figura 2.9) é um objeto que facilita muito a montagem de circuitos eletrônicos. Basicamente é uma placa com 830 furos interligados verticalmente nas duas divisões internas e horizontalmente nas duas divisões externas. As características do modelo utilizado são 165(A) x 54(L) x 10(P)mm e massa de 103g. Possui suporte a tensão máxima de 29 300V RMS e corrente máxima de 3A RMS. A figura 2.8 ilustra imagem da protoboard utilizada. Figura 2.9 – Protoboard 830 2.5 ENGENHARIA DO PRODUTO Uma das áreas da engenharia de produção é a engenharia do produto. Segundo a ABEPRO (Associação Brasileira de Engenharia de Produção). Essa área compreende um conjunto de ferramentas e processos de projeto, planejamento, organização, decisão e execução envolvidas nas atividades estratégicas e operacionais de desenvolvimento de novos produtos, abrangendo desde a concepção até o lançamento do produto e sua retirada do mercado com a participação das diversas áreas funcionais da empresa (ABEPRO, 2014). Para Menegon (1998), o engenheiro de produção deve estar preparado para compreender a natureza das atividades que possa vir a gerenciar. Essas atividades podem estar atreladas ao desenvolvimento de novos produtos que visem à solução de problemas da sociedade. Apesar de o presente trabalho não objetivar desenvolver um produto final e sim um protótipo, a estratégia para se obter tal resultado foi baseada na bibliografia relacionada à engenharia de produto, que também leva em consideração a metodologia para se criar protótipos. 2.6 PLANEJAMENTO DO PRODUTO 30 Para que se desenvolva um novo projeto, as atividades devem ser bem pensadas e organizadas. A figura 2.10 representa um esquema de fluxo das atividades para o desenvolvimento de um produto que nortearam o presente trabalho. Tal metodologia foi proposta por Baxter (2012) que também classifica essas atividades em quatro etapas principais: 1) Ideias preliminares. Logo no início do processo de desenvolvimento do projeto, ideias são exploradas para um primeiro teste de mercado. Nesta etapa, o produto pode ser apresentado na forma de um simples desenho de apresentação, para então ser mostrado a um grupo de potenciais consumidores ou vendedores. Sendo aprovado ele passa para a segunda etapa. 2) Especificações. A segunda etapa comporta a especificação da oportunidade, especificação do projeto, e volta-se, então, para o projeto conceitual, para selecionar o melhor conteúdo. 3) Configurações. O conceito selecionado é submetido a um segundo teste de mercado, iniciando a terceira etapa. Se o novo teste de mercado também for satisfatório, deverão ser iniciadas as atividades de configuração do produto. Geralmente se descobrem alternativas de projeto que não foram relevantes anteriormente ou alguma mudança técnica é efetuada seja em materiais ou processos de fabricação. Essa etapa pode levar ao retrocesso de uma ou duas etapas para se verificar os efeitos da mudança. Caso a mudança afete um aspecto-chave, é necessário retroceder para revisar a especificação de oportunidade. Consequentemente isso pode implicar em revisões da especificação do projeto e do projeto conceitual. Chegando-se novamente à configuração do produto, o melhor é escolhido e irá para um terceiro teste de mercado. 4) Produção. Sendo aprovado, passa-se para os desenhos detalhados e construção do protótipo. A aprovação “oficial” desse protótipo encerra o processo de desenvolvimento de produto. 31 Figura 2.10 – Esquema de fluxo de atividades de Baxter 2.7 CRIANDO NOVOS PRODUTOS INOVADORES Baxter (2012) afirma que a busca por inovação cresceu muito nos últimos tempos e isso ocorreu devido lançamentos de produtos globalizados e aumento da pressão competitiva que vem do exterior. De acordo com Filho (2009), novos produtos surgem quando há necessidades ainda não satisfeitas, seja porque os produtos atualmente disponíveis não conseguem satisfazê-las, seja porque, simplesmente, produtos com tal capacidade ainda não foram criados. Sendo assim, profissionais capacitados ou mesmo projetistas amadores podem às 32 vezes buscar uma solução. No entanto, muitas vezes esta solução custa caro, oferece riscos e podem até agravar a situação do usuário quando os conhecimentos técnicos não são suficientes. Nesse âmbito de incerteza: “o segredo de uma inovação bem-sucedida é a gerência de riscos” (BAXTER, pag. 18, 2012). 3 METODOLOGIA O presente trabalho aplica conhecimentos de várias áreas da engenharia de forma prática, levantando dados, problemas e apresentando solução. Desta forma a modalidade de pesquisa mais adequada para o presente trabalho é a modalidade aplicada. 3.1 CLASSIFICAÇÃO DA PESQUISA A pesquisa em questão classifica-se conforme: À área da ciência: Pesquisa prática; À natureza: trabalho científico original; Aos objetivos: exploratória; Ao objeto: Bibliográfica; À forma de abordagem: Pesquisa quantitativa. A classificação para a pesquisa no que se refere à área da ciência é a pesquisa prática, pois os conhecimentos adquiridos são utilizados para aplicação prática voltada para a solução de problemas sociais. Quanto à natureza, o trabalho se enquadra como um trabalho científico original baseado em vários outros trabalhos já realizados com objetivos diferentes. A pesquisa exploratória se dá pela caracterização inicial do problema, caracterização e definição. A pesquisa bibliográfica toma como base inúmeros trabalhos já realizados e que servem para nortear novas pesquisas em desenvolvimento. 33 Por ultimo, a pesquisa quantitativa exibe os dados obtidos e os transforma em informação útil para o autor. 4 APRESENTAÇÃO DO MODELO PROPOSTO O modelo proposto pode ser mais bem entendido observando-se a figura 4.1. Basicamente o sistema funciona da seguinte forma: os sensores de corrente e de vazão colhem os dados após o medidor de luz e hidrômetro respectivamente. Estes dados são enviados para o Arduino onde serão processados, transformados em informações e serão exibidas no computador. Figura 4.1 – Esquema do modelo proposto 4.1 DESCRIÇÃO DAS ETAPAS DE DESENVOLVIMENTO A seguir serão descritas todas as etapas que contribuíram para a execução do projeto. 34 4.1.1 AQUISIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS E COMPONENTES Inicialmente foram adquiridos todos os componentes eletrônicos necessários para a concepção do modelo. Buscou-se a compra dos materiais de menor custo em várias lojas especializadas da internet e de Governador Valadares visando à viabilidade econômica do trabalho. Dessa forma, obteve-se um orçamento relativamente baixo para se desenvolver um protótipo (ver tabela 4.1). Tabela 4.1 – Custos do projeto ITEM SENSOR DE CORRENTE SCT013 ARDUINO FIOS JUMPER RESISTORES CAPACITORES PROTOBOARD 830 FUROS TOTAL QTDE 1 1 80 20 5 1 PREÇO R$ 59,00 R$ 52,00 R$ 0,13 R$ 0,10 R$ 1,00 R$ 25,00 VALOR FRETE R$ 10,00 R$ 0,00 R$ 7,27 R$ 0,00 R$ 0,00 R$ 7,95 TOTAL POR ITEM R$ 69,00 R$ 52,00 R$ 17,35 R$ 2,00 R$ 5,00 R$ 32,95 R$ 178,30 Fonte: Autor 4.1.2 TESTES E CALIBRAÇÃO DO SENSOR Após a compra de todo o equipamento, foi necessária a calibração do sensor para que a medição fosse eficaz. Após a calibração, testes foram realizados para se verificar a eficácia do sistema. O fabricante do sensor fornece os códigos-fonte para serem programados no Arduino (anexo 2), no entanto pode haver divergências entre o fluxo real corrente elétrica e o que está sendo medido, devidas interferências externas, incompatibilidade de códigos ou mesmo variações na fabricação. 35 4.1.2.1 TESTE DE TENSÃO A tensão que o cliente CEMIG contrata é de 127 V ou 220 V, no entanto com a estrutura e recursos disponíveis atualmente, é impossível para a CEMIG fornecer para cada residência uma tensão exata e sem variações. Portanto a ANEEL com o respaldo da PORTARIA DNAEE Nº 047, DE 17 DE ABRIL DE 1978 permite que se tenha um limite de variação de tensão nominal de 5% para mais ou para menos para cada cliente. Para a programação desenvolvida neste trabalho, o ideal seria se a tensão fosse fixa e sem variações, pois os cálculos do consumo são realizados de acordo com um valor de tensão previamente determinado. Como isso não é possível, a tensão real fornecida para a residência utilizada foi medida ao longo de um dia e o valor da moda dos dados foi utilizado no código-fonte. Sendo assim, o valor de tensão inserido no código-fonte para a realização dos cálculos de consumo foi de 127,5 V conforme registro fotográfico na figura 4.2. Figura 4.2 – Valor real de tensão fornecida para a residência. 36 4.1.2.2 CALIBRAÇÃO DO SENSOR DE CORRENTE Para a calibração do sensor de corrente, foi montado um circuito e um código de programação com apenas esse sensor conectado ao Arduino (ver figura 4.3). O código-fonte utilizado foi o do fabricante, porém com as alterações da faixa de tensão. Efetuou-se então a medição de potência e corrente consumidas por uma lâmpada de 60W. A corrente também foi medida através de um multímetro simultaneamente. Figura 4.3 – Teste com lâmpada de 60W. 4.1.2.3 TESTE LÂMPADA DE 60 W Inicialmente, a medição estava bastante discrepante da medição do multímetro, considerado confiável. Mas após alterações no código-fonte e nos parâmetros de calibração, foi possível uma aproximação bastante satisfatória. Como pode ser observado na figura 4.4, o sensor de corrente apresentava uma medição bastante aproximada do multímetro. 37 Figura 4.4 – Teste com lâmpada de 60W. 4.1.2.4 TESTE FERRO DE PASSAR DE 1200 W Para comprovar a eficácia do sistema, efetuou-se também a medição de potência e corrente em um ferro de passar de 1200W. Apesar das oscilações, o sensor se aproximou bastante da medição de corrente realizada pelo multímetro, no entanto a potência medida ficou abaixo dos 1200W descritos na embalagem do aparelho. É importante salientar que os aparelhos eletrônicos domésticos, principalmente os que têm finalidade de resistência térmica, geralmente não consomem a potência exata de acordo com sua descrição por várias causas. Entre estas causas podem estar variações na fabricação e arredondamento de valor de potência para fins comerciais. Isso foi comprovado na medição de potência do ferro de passar, pois a corrente e a tensão se mantiveram estáveis no momento da medição da potência conforme figura 4.5. 38 Figura 4.5 – Teste com ferro de passar 1200W. 4.1.3 CÓDIGO-FONTE PARA CÁLCULOS DE CONSUMO Realizados os testes necessários, verificou-se que o sensor não possui uma precisão extremamente exata, mas que atende aos propósitos deste trabalho, pois objetiva uma previsão estimada e não exata do consumo acumulado de energia. Após os testes individuais do sensor, foi elaborado um novo código-fonte (Apêndice 2). Nesse novo código as equações para os cálculos dos valores monetários do consumo acumulado foram incorporadas. O novo código desenvolvido retorna, em tempo real, o valor da corrente, a potência, o consumo acumulado em kWh, o tempo de medição e o preço acumulado da conta de luz a cada segundo, mas sem a incidência dos impostos municipais cobrados na conta ou multas, pois, estes variam entre cidades e clientes. A figura 4.6 mostra o relatório gerado instantaneamente pelo Arduino através do Tera Term PRO com o sistema instalado. 39 Figura 4.6 – Interface do sistema (Tera Term PRO) 5 RESULTADOS E ANÁLISES Para a fase final do projeto, era necessário que o protótipo fosse testado em um ambiente real, monitorando seu consumo em um período previamente determinado. Devido à facilidade de aplicação e segurança, foi escolhido o ambiente residencial ao invés de uma indústria. A residência escolhida já possuía o medidor de luz analógico e o mesmo foi utilizado para fins de comparação entre sua respectiva leitura e a leitura alcançada pelo protótipo. Dessa forma, não foi necessário que o sensor ficasse instalado por um mês na residência, bastava-se que o protótipo funcionasse paralelamente com o medidor da casa por um período determinado e que suas medições fossem comparadas. Sendo assim, o sensor foi instalado na residência e a medição foi computada pelo período de 24 horas. A medição se iniciou às 17:00 horas do dia 29/10/2014 e se encerrou às 17:00 horas do dia 30/10/2014. Ao início da medição, o medidor analógico marcava o número 59153 conforme mostra a figura 5.1. 40 Figura 5.1 – Início da medição (medidor analógico) Este número representa o ponto inicial da medição, ou seja, o ponto zero. Já na figura 5.2, o medidor analógico apontava o número 59159. Este número representa o ponto final da medição que é a posição dos ponteiros ao final das 24 horas. Figura 5.2 – Final da medição (medidor analógico) Subtraindo o segundo número pelo primeiro teremos 5. Este valor representa a quantidade de kWh consumidos no período de 24 horas de medição. Como os medidores são analógicos as casas decimais do consumo não são mostradas. Para que este consumo fosse 41 considerado, levou-se em consideração que o ultimo ponteiro ultrapassou 60% do espaço entre os números 3 e 4, ou seja, o consumo após o número 3 foi de 60% de 1 kWh. Portanto, o consumo no período de 24 horas calculado pelo medidor da residência foi de 5,6 kWh. Se multiplicarmos esse valor de consumo pela tarifa energética homologada para a CEMIG pela ANEEL, encontraremos o preço que deve ser pago por esse consumo que foi de R$ 2,2199. Após o período de medição, o monitoramento feito pelo Arduino foi interrompido e os dados foram colhidos para serem analisados. Estes dados foram transferidos para uma planilha eletrônica e a partir da tabela gerada, foram gerados dois gráficos. O gráfico 5.1 mostra a evolução do consumo em kWh e o gráfico 5.2 mostra a potência consumida ao longo do tempo. 6 kWh 5,45 5 4 3 kWh 2 1 Tempo de Medição 0 0 2 3 5 7 9 10 12 14 15 17 19 21 Gráfico 5.1 – Evolução do consumo (kWh) 22 24 42 POTÊNCIA 2500 2000 1500 POTÊNCIA 1000 500 0 0 2 3 5 7 9 10 12 14 15 17 19 21 22 24 Tempo de Medição Gráfico 5.2 – Consumo instantâneo de potência O consumo medido pelo Arduino foi de 5,45 kWh. Multiplicando esse valor pela mesma tarifa anteriormente utilizada chegou-se ao preço de R$ 2,16. Esse valor divergiu dos valores calculados através do medidor analógico em 2,67%. Acredita-se que as divergências entre as duas medições possam ter várias causas e a principal delas sejam as oscilações da tensão fornecida. Como o Arduino nesse projeto trabalha com um valor fixo de tensão, essa oscilação afeta diretamente os cálculos efetuados pelo micro controlador. Outras causas podem ser atraso nos cálculos da função loop do Arduino, erro de paralaxe do medidor analógico e erros de aproximação de casas decimais. De qualquer maneira o dispositivo e código desenvolvidos mostraram uma eficiência bastante satisfatória para os objetivos deste trabalho. 43 6 CONCLUSÃO Ao início da elaboração deste trabalho encontraram-se diversos desafios a serem superados. O maior deles foi a correta comunicação entre o sensor de corrente SCT-013 e o Arduino, pois são de fabricantes diferentes. No entanto, à medida que as dificuldades foram sanadas o projeto se tornou muito prazeroso em ser desenvolvido. As indústrias cada vez mais buscam uma melhor gestão e otimização dos seus custos e com o cidadão brasileiro não é diferente. A cada dia em que os custos com energia sobem, novas medidas de economia são adotadas e um dispositivo como este auxiliaria bastante o gestor a ter um melhor controle sobre sua despesa com energia. A central de monitoramento aqui desenvolvida é a materialização de uma ideia que pode vir a se tornar um produto inovador e prático para indústrias e residências. No que se refere às divergências de medição, é aceitável que o dispositivo não atinja sua forma final, pois se trata de um primeiro protótipo. Por fim, demonstrou-se que o trabalho realizado atingiu seus objetivos, pois foi possível monitorar o custo e consumo de energia de forma prática e instantânea, fazendo o melhor uso possível dos recursos e componentes disponíveis. 44 6.2 RECOMENDAÇÕES Como proposta de melhoria para o projeto até aqui desenvolvido, sugere-se que o protótipo seja incrementado de uma interface mais moderna para a percepção do usuário. Uma interface que apresente outras informações e permita a interação com o usuário seria bastante proveitosa. Outros avanços que tornariam o projeto ainda mais viável seriam a aplicação de um sensor de vazão para medir também o consumo de água e o uso de tecnologias sem fio como wifi e bluetooth para eliminar os fios provenientes da instalação do dispositivo. Além disso, vários aperfeiçoamentos na programação e nos componentes podem ser realizados a fim de se obter uma medição com mais precisão. 45 Referências ABEPRO. Áreas e Sub-áreas de Engenharia de Produção. 2014. Disponível em: <http://www.abepro.org.br/>. Acesso em: 08 out. 2014. ALEXANDER, Charles; SADIKU, Matthew N. O. Fundamentos de Circuitos Elétricos. 5. ed. São Paulo: Bookman, 2013. ANUÁRIO ESTATÍSTICO DE ENERGIA ELÉTRICA 2013. Rio de Janeiro: Ministério de Minas e Energia, 2013. Anual. Disponível em: <http://www.epe.gov.br/>. Acesso em: 07 ago. 2014. Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) - Norma Brasileira (NBR) BAXTER, Mike. Projeto de Produto: Guia Prático Para o Design de Novos Produtos. 3. ed. São Paulo: Blucher, 2012. 342 p. BELO HORIZONTE. CEMIG. (Ed.). Aneel define reajuste das tarifas da Cemig. 2014. Disponível em: <http://www.cemig.com.br/sites/Imprensa/pt- br/Paginas/reajuste_tarifario.aspx>. Acesso em: 08 abr. 2014. BRASILIA. Aneel. Ministério de Minas e Energia (Org.). Tarifas Residenciais. 2014. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/>. Acesso em: 08 ago. 2014. FILHO, Antonio Nunes Barbosa. Projeto e Desenvolvimento de Produtos. 1. Ed.São Paulo: Atlas, 2009. G1 (Goiás) (Ed.). Aprovado aumento de 5,54% na tarifa de água e esgoto em Goiás. 2014. Disponível em: <http://g1.globo.com/goias/noticia/2014/03/aprovado-aumento-de-554na-tarifa-de-agua-e-esgoto-em-goias.html>. Acesso em: 29 mar. 2014. 46 LOUREIRO, Paulo Gerson Cayres. CUSTO MARGINAL DO DÉFICIT DE ENERGIA ELÉTRICA: HISTÓRICO, AVALIAÇÃO E PROPOSTA DE UMA NOVA METODOLOGIA. 2009. 7 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Planejamento Estratégico, Departamento de Coppe, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2009. Cap. 1. MCROBERTS, Michael. Arduino Básico. São Paulo: Novatec, 2011. MENEGON, Nilton Luiz; ANDRADE, Ronaldo Soares de. Projeto do Produto em Engenharia de Produção. Encontro Nacional de Engenharia de Produção, Rio de Janeiro, v. 12, n. 12, p.1-7, set. 1998. Disponível em: <http://www.abepro.org.br>. Acesso em: 02 jul. 2014. MÔNICA TAVARES (Brasilia). O Globo (Ed.). Energia ficará mais cara para 24 milhões de clientes: Aumentos variam de 11% a 29%. 2014. Disponível em: <http://oglobo.globo.com/economia/energia-ficara-mais-cara-para-24-milhoes-de-clientes12220038>. Acesso em: 17 abr. 2014. PEREIRA JÚNIOR, José de Sena. Tarifas dos Serviços Públicos de Água e Esgotos no Brasil. Biblioteca Digital da Câmara dos Deputados, Brasilia, p.10-13, ago. 2007. Disponível em: <http://bd.camara.gov.br>. Acesso em: 04 jun. 2014. PMGV (Município). Lei nº 173, de 29 de janeiro de 2014. Dispõe Sobre A Organização Administrativa do Serviço Autônomo de Água e Esgoto. Governador Valadares, MG. TIPLER, Paul A.; MOSCA, Gene. Física Para Cientistas e Engenheiros. 6. ed. Rio de Janeiro: Ltc, 2009. 47 ANEXOS 48 ANEXO 1 – FATURA DE ENERGIA ELÉTRICA CEMIG 2014 49 ANEXO 2 – CÓDIGO DO FORNECEDOR PARA O SENSOR SCT-013 #include "EmonLib.h" EnergyMonitor emon1; // Include Emon Library // Create an instance void setup() { Serial.begin(9600); emon1.current(5, 60); // Current: input pin, calibration. //calibration is explained bellow } void loop() { double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Calculate Irms only Serial.print(Irms*230.0); Serial.print(" "); Serial.println(Irms); } // Apparent power // Irms 50 APÊNDICES 51 APÊNDICE 1 – CÓDIGO DE CALIBRAÇÃO DO SENSOR #include "EmonLib.h" EnergyMonitor emon1; // Adição da biblioteca // Criar instância void setup() { Serial.begin(9600); emon1.current(1, 60.3); // Definição de pino de entrada e parâmetro de calibração } void loop() { double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Cálculo da corrente Serial.print(Irms*129); Serial.print(" WATTS "); Serial.print(Irms); Serial.println(" AMPERES"); } // Potência aparente // Corrente 52 APÊNDICE 2 – CÓDIGO FINAL PARA MONITORAMENTO #include "EmonLib.h" EnergyMonitor emon1; // Inclui biblioteca // Cria instância double corrente=0; //Variável que recebe o valor da corrente double potencia=0; //Variável que recebe o valor da potencia double kwh_consumido=0; //Variável que recebe o valor de Kw/h consumido double tensao=127; //Variável para armazenas o valor da tensão fornecida double valor_conta=0; //Variável que armazena o valor da conta em R$ unsigned long tempo=0; //Tempo de medição int i = 0; int x = 0; float tempo_medicao; void setup() { Serial.begin(9600); //Inicia a serial com um baud rate de 9600 taxa de transferência emon1.current(2, 57); input pin, calibration. // Função de calibração da corrente recebida. Current: Serial.println("\n\n---------------SISTEMA DE MONITORAMENTO DE CONSUMO-------------\n\n"); //Imprime Inicio na serial } void loop () { corrente = emon1.Irms; // Atribui o valor da corrente para a variável Serial.read(); double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Calcula corrente potencia = corrente*127.2; kwh_consumido = (kwh_consumido+(potencia/3600000)); tempo = millis(); tempo = tempo/1000; tempo_medicao=tempo*0.000277777778; i++; valor_conta = (kwh_consumido*0.39642); 53 if(i==60){ valor_conta = (kwh_consumido*0.39642); Serial.print(corrente); // Irms Serial.print(" AMPERES "); Serial.print(potencia); // Apparent power Serial.print(" WATTS "); Serial.print(kwh_consumido); Serial.print(" Kw/h "); Serial.print("R$ "); Serial.print(valor_conta); Serial.print(" "); Serial.print(tempo_medicao); Serial.println(" Horas"); i=0; valor_conta = 0; } delay(1000); }