Escola Superior de Tecnologia de Tomar Tiago Alexandre Martins Fernandes sistema integrado de segurança e gestão de energia (sisge)



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Estudos preliminares


O projeto SISGE foi desenvolvido em diversas etapas. Inicialmente fez-se a análise das variáveis que seriam necessárias obter, assim como quais as tecnologias que melhor se ajustariam às necessidades do sistema. As etapas mais relevantes foram a definição da estrutura do sistema, a escolha dos equipamentos principais, o dimensionamento dos componentes de aquisição de dados, a programação do sistema e o desenvolvimento da interface gráfica.

O desenvolvimento deste projeto foi feito a pensar no caso de instalações de habitação, podendo ser replicado facilmente a instalações de serviços e comércio. Os testes de validação da aplicação foram efetuados numa habitação T2 com uma potência contratada de 3,45 kVA e com consumos normais para uma instalação desta tipologia. A habitação não tem nenhum sistema de produção de energia através de fontes renováveis, contudo foi contemplada uma possível implementação de um sistema destes.

As escolhas efetuadas relativas ao hardware tiveram em conta a análise efetuada ao Estado da Arte e a necessidade de manter o custo do sistema o mais baixo possível.

Estrutura do Sistema


O sistema deverá ser capaz de adquirir informação proveniente de sensores, manter um registo dessa informação e apresentá-la numa interface gráfica. O intuito de juntar a gestão da segurança e a gestão da energia é o de criar um sistema único, centralizando a interação do utilizador num só ponto do sistema, através da interface gráfica.

Pretende-se adquirir os dados dos consumos energéticos efetuados na habitação, e monitorizando assim em tempo real o valor eficaz da tensão e corrente, a potência ativa, a potência reativa, fator de potência e a energia consumida. A parte do sistema relacionada com a segurança deverá interpretar informação recebida de um ou mais sensores e, se necessário, efetuar as ações mais adequadas autonomamente, i.e. sem a consulta do utilizador. A informação adquirida é apresentada numa interface gráfica, a ser utilizada dentro e fora da rede do sistema. No fundo, este sistema corresponde um sistema de domótica.



De acordo com os pressupostos apresentados nos capítulos anteriores, e analisadas as vantagens e desvantagens das várias opções tecnológicas, optou-se por um sistema com uma arquitetura centralizada. Uma unidade central levará a cabo a gestão da informação e suporte à interface de interação com o utilizador. Unidades periféricas de captura de dados enviarão informação proveniente dos sensores para a unidade central. A unidade central enviará ordens de comando para quaisquer atuadores que estejam ligados às unidades periféricas. Não foi escolhida uma arquitetura descentralizada porque esta pressupunha um maior investimento em hardware. Por outro lado, uma arquitetura centralizada torna-se também de desenvolvimento menos complexo e ajusta-se perfeitamente à intensão de criar um sistema único.



  1. Diagrama de blocos geral do sistema.


Principais componentes

Unidade Central


A unidade central do sistema é constituída por um computador. A escolha deste dispositivo, para funcionar como cérebro do sistema, deve-se à sua flexibilidade de adaptação às mais variadas aplicações. O processamento de informação é mais rápido, devido à sua maior capacidade de processamento, podendo assim processar informação a uma velocidade que permite a sua visualização em tempo real.

O armazenamento temporário (memória volátil) e permanente de informação é também melhor pelo facto da capacidade de armazenamento ser maior, quando comparado com outros tipos de equipamento, como por exemplo microcontroladores. Isto leva-nos à possibilidade de guardar mais, quantidade e com maior detalhe, informação vinda dos sensores do sistema global.

O custo de aquisição deste equipamento é a sua maior desvantagem, sendo que o consumo energético deste sistema também deverá ser tido em conta. Contudo, o computador é um equipamento amplamente difundido em que existe um computador na maioria dos lares.

Unidades periféricas


Para as unidades de aquisição de dados definiu-se que seriam comandadas por microcontroladores, devido ao seu custo reduzido e à sua flexibilidade de ajuste perante as tarefas a executar.

Os microcontroladores são microprocessadores orientados para operações de controlo, ou seja, interação entre sensores e atuadores, e estão presentes em grande parte dos equipamentos eletrónicos que utilizamos no dia-a-dia. Os microcontroladores são desenvolvidos para executarem aplicações específicas, ao contrário dos computadores pessoais que são preparados para correrem um variado conjunto de aplicações.

Os microcontroladores são dispositivos autónomos constituídos por um processador, memória não volátil (Flash), memória Volátil (RAM) e portas de entrada e saída de informação programáveis. Outros periféricos são incluídos juntamente com os anteriormente nomeados, tais como temporizadores, conversores analógicos-digitais, geradores de impulso (relógio), entre outros. A junção dos vários periféricos num só circuito integrado reduz o número de componentes do sistema, dimensão do produto, consumo e custo global do sistema.

A opção por microcontroladores é vantajosa uma vez que, geralmente, cada família de microcontroladores utiliza um conjunto de instruções de programação específicas que ajudam a melhorar o desempenho do sistema devido a estas já estarem otimizadas.



Leitura de grandezas elétricas


Para efetuar uma monitorização dos consumos energéticos é necessário calcular o valor da potência consumida através dos valores eficazes da tensão e corrente medidos em cada instante. A leitura do valor da corrente é efetuada por um transformador de corrente de núcleo separado (split core). A escolha deste tipo de sensor em oposição a outros, tais como circuitos integrados ou transformadores de corrente com núcleo sólido, deveu-se à não interferência com a instalação elétrica da habitação, caso contrário o fornecimento de energia teria de ser interrompido para que o sensor pudesse ser instalado. O aspeto negativo deste tipo de sensor quando comparado com sensores de circuito integrado é a sua classe de precisão inferior.

O esquema elétrico do sensor de corrente está representado na Figura 25, onde T é o transformador de corrente, Ip é a corrente no primário, Rb é a resistência de burden que produz uma tensão U, proporcional à corrente Is induzida no secundário.





  1. Esquema elétrico do sensor de corrente.

O princípio de funcionamento do transformador de corrente é conhecido como efeito de Hall. Este efeito refere-se à tensão produzida quando um condutor é colocado sob influência de um campo magnético, e disposto de forma perpendicular à corrente e campo magnético[Honro]. A tensão produzida varia consoante a dimensão do campo magnético criado pela corrente que passa pelo condutor. O campo magnético gerado pela corrente aumenta proporcionalmente à mesma.

A amostragem da tensão da rede é feita através do enrolamento secundário de um transformador. Este transformador reduzirá o valor da tensão que ronda os 230V AC para valores que possibilitam a sua medição através de um microcontrolador.

Comunicações


Os meios de comunicação destinam-se à troca de informações entre as unidades periféricas e a unidade central.

Das várias tecnologias disponíveis, considerou-se que a utilização da rede de comunicações de pares de cobre, já montada na habitação, seria a mais adequada. Este meio de comunicação pode atingir velocidades de comunicação elevadas, dependendo do protocolo utilizado. A desvantagem deste meio deve-se sobretudo à pouca proteção contra interferências externas, dependendo este fator da existência ou não de blindagem nos cabos.



Gestão da informação


A informação produzida pelos sensores e enviada para a unidade central pelas unidades periféricas será guardada numa base de dados. O registo em base de dados da informação visa a análise imediata e futura da informação, assim como a correta distribuição e ordenação. A vantagem de guardar a informação numa base de dados, em relação a outros suportes como ficheiros CSV ou texto, deve-se sobretudo à capacidade de proteção contra erros na formatação da informação e permitir a disponibilização da informação a vários intervenientes.

A apresentação da informação ao utilizador será feita através de uma aplicação Web. Ao utilizar este meio, o acesso à informação poderá ser feita a partir de qualquer dispositivo que tenha acesso à rede local, através do endereço de IP interno ou fora da rede através de IP externo. A vantagem de utilizar uma aplicação Web é sobretudo não necessitar de instalar qualquer software no dispositivo, podendo ser qualquer dispositivo que tenha um browser de Internet.




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