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



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RESUMO

Apresenta-se nesta dissertação o projeto de um sistema autónomo de gestão de segurança e energia.

O estado social atual implica que passemos grande parte das nossas vidas no interior de edifícios. Sempre que possível, preferimos que as nossas tarefas de simples e rotineira execução sejam efetuadas por sistemas autónomos. Juntando estes dois pontos à necessidade de gerir os recursos energéticos e a segurança obtemos a necessidade de sistemas de automação para edifícios, que agreguem monitorização de segurança e energia.

Devido à vasta oferta tecnológica de baixo custo e de boa qualidade disponível no mercado, o desenvolvimento deste tipo de sistema de monitorização torna-se cada vez menos complicado. As tecnologias chave destes sistemas são na maior parte das vezes de fonte de utilização livre. Estes sistemas tornam-se assim em alternativas aos sistemas existentes no mercado.

Nesta dissertação é descrito o estado da arte e apresentado o projeto de um sistema de baixo custo para gestão da segurança e energia em edifícios comercias e não comerciais.

Foi desenvolvida com o propósito de monitorizar consumos energéticos em edifícios, salvaguardar bens e pessoas e fornecer ao utilizador um sistema que guarda toda a informação e permite a análise da mesma. O sistema desenvolvido utiliza comunicações por fios e sem fios entre as unidades periféricas e a unidade central. Foi também desenvolvida uma interface de visualização em dispositivos com acesso à Internet dos dados em tempo real sobre o consumo e estado dos sensores de segurança.


Palavras-chave: Sistema, automação, gestão, segurança, energia, integração edifícios, domótica, inmótica, consumo de energia, consumos.

ABSTRACT

In this dissertation the project of an autonomous system of security and energy management is presented.

The current society state implies that we spend most of our lives inside buildings. Whenever possible, we prefer that our simple and routine tasks are performed by stand-alone systems. Joining these two points with the need to manage energy resources and security, we get need of an automation system for buildings with added security and energy monitoring.

Due to the wide range of low cost and good quality devices available on the market, the development of this type of monitoring system becomes less and less complicated. Key technologies used on these systems are mostly open source. These systems present a good alternative to existing systems on the market.

This dissertation describes the state of the art and presents the design of a low-cost system for security and energy management in commercial and non-commercial buildings.

The system was developed with the purpose to monitor energy consumption in buildings, safeguard goods and people, providing the user with a system that stores all the information and allows the analysis of the same. The system developed uses wireless and wire communications between peripheral units and the central unit. A visualization interface has also been developed that allows devices with Internet access to see in real-time data of consumption and security sensors.


Keywords: System, automation, management, security energy buildings, house automation, integration, energy consumption…

AGRADECIMENTOS

A todos os que me ajudaram, professores, amigos e colegas que contribuíram com o seu auxílio e apoio.

Em especial aos meus orientadores, Professor Doutor Mário Gomes e Professor Doutor Paulo Coelho, pela oportunidade e incentivo concedidos durante a realização deste trabalho e ao longo dos últimos anos enquanto meus docentes.

Ao Engenheiro Pedro Neves pela colaboração e disponibilidade durante a realização do protótipo.

Aos meus amigos e à minha família pelo apoio que me deram.

Ao Instituto Politécnico de Tomar (IPT) pelas condições proporcionadas para a realização do projeto;


Este trabalho teve apoio do projeto RIGMEI – Red Iberoamericana de Generación Distribuida y Microrredes Eléctricas Inteligentes, com referência RED-713RT04752012, financiado pelo CYTED - Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnologia para el Desarrollo.

Trabalho realizado no âmbito das atividades da Unidade VITA.IPT – Vida Assistida por ambientes Inteligente.



ÍNDICE




Capítulo 1 -Introdução 1

Enquadramento 1

Objetivos 2

Motivação 3

Metodologia 4

Capítulo 2 -Automação em edifícios 5

Definição e conceito 5

Gestão de Energia 6

Gestão de Segurança 7

Capítulo 3 -Estado da Arte 9

Tecnologia existente 9

Meios de transmissão 9

Redes sem fios 10

Redes com fios 13

Protocolos de comunicação 15

Evolução dos protocolos 15

KNX 17

LonWorks 22



X-10 25

MQTT 29


Internet Of Things 31

Regulamentação 34

Produtos existentes no mercado 35

Capítulo 4 -Projeto SISGE 39

Estudos preliminares 40

Estrutura do Sistema 41

Principais componentes 42

Unidade Central 42

Unidades periféricas 43

Leitura de grandezas elétricas 43

Comunicações 44

Gestão da informação 45

Tecnologias adotadas 45

Unidade central 46

Unidades periféricas 47

Medição dos consumos 49

Tensão 49

Corrente 53

Placa de aquisição de dados 55

Segurança e controlo 58

Meios de comunicação 61

Ethernet 61

MQTT 64

Leitura das grandezas elétricas 66



Manipulação e armazenamento da informação 71

Interface do utilizador 77

Simulações e resultados 85

Capítulo 5 -Conclusão 87

Conclusões 87

Futuros desenvolvimentos 88

Capítulo 6 -Referências Bibliográficas 90

Capítulo 7 -Anexos 93

Anexo A – Portas Raspberry Pi2 93

Anexo B – Portas NodeMCU. 94

Anexo C – Código de programação do Arduino Mega 96

Anexo D – Código de programação do NodeMCU 100

Anexo E – Principais scripts da aplicação SISGE 104

Anexo F – DVD-ROM 107


ÍNDICE DE FIGURAS


ÍNDICE DE TABELAS



LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AC Corrente Alternada

ADC Analog Digital Converter

AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado

BT Baixa tensão

CAN Controller Area Network

CSI Camera Serial Interface

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

CSV Comma-separated values

DC Corrente Contínua

DSI Display Serial Interface

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory

EU Europa

EUA Estados Unidos da América

GPIO General Por

HDMI High-Defenition Multimedia Interface

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

I2C Inter-Integrated Circuit

ICSP In-Circuit Serial Port

IDE Integrated Development Environment

IIR Infinite Impulse Response

IOT Internet of Things

IP Internet Protocol

Ip Corrente no Primário

IPT Instituto Politécnico de Tomar

Is Corrente no Secundário

ISO International Organization for Standardization

Mac Media Access Control

MT Média tensão

MQTT Message Queue Telemetry Transmission

QoS Quality of Service

TCP Transmission Control Protocol

THD Taxa de distorção harmónica

LAN Local Area Network

LBT Listen Before Talk

M2M Machine to Machine

MISO Master In Slave Out

MOSI Master Out Slave In

PIR Passive Infra Red

PLC Power Line Comunication

PoE Power over Ethernet

PWM Phase Width Modelation

RAM Random Access Memory

Rb Resistência burden

RF Rádio Frequência

RMS Root Mean Square

RX Receiver

SCK Serial Clock

SDRAM Synchronous Dynamic Random Access Memory

SPI Serial Peripheral Interface

SS Slave

SSH Secure Shell

TP0 Transport Protocol 0

TP1 Transport Protocol 1

TTL Transistor-Transistor Logic

TX Transmitter

U Tensão

USB Universal Serial Bus

Vs Versus

LISTA DE SÍMBOLOS

% Percentagem

A Ampere

Ah Ampere-hora

Bit/s Bits por segundo

€ Euro


F Farads

GHz Giga-Hertz

Hz Hertz

Kbits/s Quilobits por segundo

KB Quilobyte

Kbps Quilobits por segundo

kW Quilowatt

kWh Quilowatt-hora

kVA Quilovolt-ampere

mA Miliampere

Mbits/s Megabits por segundo

MHz Megahertz

m Metros

ms Milissegundos

mW Mili-watt

MW Mega-watt

MWh Megawatt-hora

Ω Ohm


KΩ Quilo-ohm

V Volt


VA Volt-ampere

W Watt


µF micro-Farads


  1. Introdução

Enquadramento


Nos dias que correm, a sociedade passa a maior parte do tempo no interior de edificações onde ao longo da sua existência tem procurado proteção e conforto. À medida que a tecnologia evolui, são desenvolvidas melhorias que conferem aumentos na segurança e no conforto dos edifícios. Uma das formas contemporâneas de proporcionar segurança e conforto é através da automação de tarefas rotineiras em edifícios.

A automação nasceu do desejo humano de desenvolver algo que replicasse as suas ações naturais para a sua recreação, para diminuição dos perigos inerentes a certas ações e para o aumento da produtividade. A automação é por isso fruto da vontade humana de melhorar a sua qualidade de vida e de levar a cabo tarefas que sem a automação seriam humanamente impossíveis.

Por definição, automação exprime a execução de tarefas através de técnicas mecanizadas ou computacionais sem a intervenção humana, o que permite a diminuição do erro inerente à ação humana, a agilização para além dos limites humanos e a execução de tarefas que de outro modo seriam fisicamente impossíveis de realizar pelo homem. Estes aspetos levam à dinamização e otimização da realização de tarefas.

Genericamente, a automação representa a simples substituição de mão-de-obra humana por mão-de-obra "mecanizada" com controlo autónomo. Esta definição não tem em conta a principal importância da automação, que é dotar o homem com sistemas que realizam tarefas de impossível realização para o mesmo, contudo, a intervenção do homem existe sempre, quer na sua conceção, quer na sua manutenção ou mesmo para o seu normal funcionamento.

A automação em edifícios como hoje a conhecemos teve origem na década de 1980 com o aparecimento do computador pessoal, mas tem sido nos últimos anos que o interesse por este tema tem aumentado[hofautom]. A redução de custos associados aos edifícios e a procura constante de melhorar o conforto dos utilizadores têm sido os maiores contribuidores para o aumento da automação em edifícios.

As formas de providenciar conforto vão desde o controlo das variáveis ambientais dos espaços, como a luminosidade e temperatura, e podem estender-se até à segurança da integridade das pessoas e bens, como o controlo de acessos ou a deteção de incêndios.

As exigências económicas e ecológicas atuais obrigam cada vez mais a uma gestão dos recursos energéticos, quer estes sejam fontes consumidoras ou fontes produtoras de energia. Se por um lado a redução dos consumos beneficia diretamente o ambiente devido à diminuição dos impactes ambientais causados pela produção de energia, por outro lado a poupança económica providencia recursos financeiros que podem ser aplicados para uma ainda maior redução dos consumos.

A monitorização dos consumos energéticos dos edifícios origina uma fonte de informação importante que pode ser utilizada na tomada de decisões com vista à diminuição desses mesmos consumos, o que originará uma potencial redução dos custos energéticos do edifício.

De certa forma, ao providenciar segurança providencia-se também conforto devido ao efeito que a segurança tem sobre as pessoas. Por isso e devido à ocorrência de infortúnios acontecerem quando menos se espera, os sistemas de segurança tomam um papel importante quando se trada de garantir a proteção de pessoas contra ameaças em que a sua deteção prévia ou atempada pode evitar consequências de maior.

Os sistemas de monitorização de segurança, ao identificarem a ocorrência de falhas de segurança em tempo real, permitem uma resposta rápida necessária para impedir, reverter ou minimizar as consequências dessas mesmas falhas.



Objetivos


Este trabalho consiste no estudo e prova de conceito de um sistema inteligente para edifícios que congregue um sistema de gestão de energia e um sistema de segurança.

Pretende-se, quanto ao sistema de gestão de energia, medir e analisar os consumos de energia em edifícios com vista à diminuição do desperdício energético através de processos automáticos e manuais. Verificar a adequabilidade da tarifa energética contratada perante outras ofertas no mercado. Monitorização em tempo real dos custos e ainda possibilidade de monitorização da produção energética efetuada a partir de microgeração.

Quanto ao sistema de segurança, pretende-se assegurar a integridade das pessoas e bens através da monitorização de variáveis, como a presença de fumo e aumento da temperatura ambiente no caso de incêndio ou identificação de intrusão a partir da deteção de movimentos. Ambos os sistemas serão integrados numa central que tomará ações automáticas pré-configuradas, mediante os vários cenários e ajudará os utilizadores na tomada de decisões. Esta central será munida de uma interface gráfica que permitirá aos utilizadores interagirem remotamente com o sistema.

Motivação


É evidente que os consumidores domésticos de eletricidade têm pouca influência direta no custo da energia, têm sim influência direta nos consumos que efetuam. Quer isto dizer que para poderem obter uma poupança financeira, no que toca aos gastos com energia, é necessário reduzirem diretamente os seus consumos.

A importância da redução dos gastos energéticos é sobretudo devida à necessidade de atenuar a tendência existente de aumento dos consumos de energia com os objetivos de poupar recursos naturais e diminuir os níveis de poluição causados pela produção de energia.




  1. Evolução do consumo de eletricidade em Portugal desde 1994[PORDATA].

Na maior parte dos casos, o consumidor apenas toma conhecimento dos consumos quando os mesmos já foram efetuados há algum tempo, o que ajuda muito pouco na identificação da fonte causadora dos mesmos. É por esta razão que os sistemas de monitorização de energia são importantes pois conseguem em tempo real ajudar na identificação das fontes causadoras de consumos potencialmente desnecessários.

Um sistema de gestão de energia para além de monitorizar os consumos ajuda o consumidor a tomar decisões perante a apresentação de informação sobre os gastos e possíveis formas de melhoria. O objetivo da integração da monitorização da segurança com um sistema de gestão de energia é o aproveitar da informação e recursos com vista a uma melhor análise e atuação em ambos os sistemas.

A segurança é necessária para proteger em primeiro lugar as pessoas e depois os bens materiais, sendo a alarmística essencial para evitar ou minimizar quaisquer ocorrências que os possam por em risco. Os sistemas de segurança são cada vez mais essenciais devido à consciencialização do número de ameaças que existem nos meios envolventes.


Catálogo: bitstream -> 10400.26 -> 12643
12643 -> Escola Superior de Tecnologia de Tomar Tiago Alexandre Martins Fernandes sistema integrado de segurança e gestão de energia (sisge)
10400.26 -> Fatores determinantes na mudança de auditor: o caso português
10400.26 -> Instituto Politécnico de Portalegre Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Portalegre
10400.26 -> Instituto Superior de Gestão a tributação Específica das Sociedades Desportivas em Portugal: o caso particular do Futebol Profissional Fernanda Duarte Marques Projeto apresentado no Instituto Superior de Gestão, para obtenção do Grau de Mestre em Gestão
10400.26 -> Instituto Politécnico de Coimbra Escola Superior Agrária de Coimbra
10400.26 -> BioEnergia Acrónimo: BioEnergia
10400.26 -> Introdução 1 Capítulo I prática de Ensino Supervisionada I e II
10400.26 -> Relatório final da prática de ensino supervisionada andreia Sofia Aguiar Silva
10400.26 -> Validade e Fiabilidade da escala de Mobilidade Funcional – Idosos e Muito Idosos (emf-imi)

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