Arduino - Energy meter

4 de Outubro de 2012

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Índice

1) Introdução

2) Estado da Arte

3) Arduino e Microcontroladores

4) Projecto do visualizador

5) Simulação e Teste

6) Conclusões

Desenvolvimento e teste de um visualizador do consumo de energia eléctrica para o sector residencial

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Introdução

Portugal

17,7% do Consumo Final (2009)


ElectricidadePrincipal Fonte de Energia

Consumida38,1% do total do sector

• 14 442 milhões de kWh• Despesa global > 2000 M€• Despesa média por

habitação de 523€/ano

2009/2010

Fonte: INE, DGEG, Outubro 2011

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Motivação


Não permitem uma comunicação eficiente com a maioria dos utilizadores de energia

• Acesso aos dados implica uma motivação do utilizador

• Formato de visualização não é o mais aconselhável para utilizadores não técnicos

O que se pretende?

• Conceber um dispositivo electrónico • Formato de visualização: grelha de LEDs que se ilumina consumo• Sensibilizar os consumidores para URE

Fonte: IST, ULHT, Project SAVE – IEE 2012

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Importância da visualização


• Homem adquire mais informação através da visão do que através de todos os outros sentidos combinados

Sentido mais valioso para providenciar informação

• Usabilidade • Nível de conhecimento prévio• Escalabilidade• Estética

Simples, intuitivo, funcional

Questões a ter em conta:

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Estado da Arte


2000 – Watt Bug: dispositivo com características típicas de um animal2002 – Ambient Orb: globo brilhante e translúcido utiliza mudança de cor2003 – Energy Cube: mapeamento de zonas domésticas nas faces de um cubo Energy Magnets: imans de frigorífico que representam aparelhos domésticos2005 – Power-Aware Cord: re-desenho de uma extensão eléctrica com cabos electroluminescentes2012 – Triad-Energy: em forma de olho com ligações à internet e ao telemóvel

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Arduino e Microcontroladores


Microcontrolador – Elemento principal deste projecto. Controla todos os dispositivos

Plataforma de desenvolvimento Arduino (UNO)

Microcontrolador Atmega328

Tensão de funcionamento 5V

Tensão de alimentação (recomendada)

7-12V

Entradas/Saídas digitais 14 (em que 6 permitem gerar PWM)

Entradas analógicas 6

Corrente DC fornecida por pino 40mA

Memória Flash 32KB em que 0.5KB são utilizados pelo bootloader

Memória SRAM 2KB

Memória EEPROM 1KB

Frequência de relógio 16 MHZ

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Projecto do Visualizador


Hardware Software

Interface com a rede eléctrica Fluxograma

Visualizador Código

Alimentação do sistema e outras considerações

Esquema de montagem

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Hardware: Interface com a rede eléctrica


Problema?

Cargas capacitivas e/ou indutivas consomem energia reactiva

Para este projecto considerou-se:• Consumidores residenciais são clientes de BTN (≤ 20,7 kVA)• Energia reactiva não é objecto de facturação porque não é medida

Visualização do consumo de Energia Activa

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Hardware: Interface com a rede eléctrica – Sensor de Corrente


Sensor de corrente Não-invasivoFuncionamento: Efeito de induçãoSegurança: Díodo ZenerOutput mode: Corrente

Modelo SCT-013-000Tamanho da abertura 13mm×13mmCorrente de entrada 0-100ARácio de voltas 100A-0.05ATensão de saída 0-50mVNão-linearidade ±3%

Nº voltas: 2000 IRMS = 100A

Dimensionar uma resistência de sobrecarga (burden) para converter o sinal em tensão

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Hardware: Interface com a rede eléctrica – Sensor de Corrente


Vbias=2,5V

IPICO_p= IRMS = 141,4A

IPICO_s= IPICO_p / nº voltas = 0,0707A

(1) Corrente de pico no circuito primário

(2) Corrente de pico no circuito secundário

Tensão de funcionamento Arduino: 0V-5V (valores positivos)Vsensor tem valores positivos e negativos

biassensorinputana VVV log_

334,350707,0

5,2

_ sPICO

biasburden I

VR

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Hardware: Interface com a rede eléctrica – Sensor de Tensão


Sensor de tensão Transformador monofásico AC/ACRelação de transformação 230:10V

Divisor resistivo para baixar a tensão para valores próximos da unidade (segurança)

Vkk

kVsensor 76,010

28100

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Vbias=2,5VTensão de funcionamento Arduino: 0V-5V (valores positivos)Vsensor tem valores positivos e negativos

biassensorinputana VVV log_

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Hardware: Visualizador


7 LEDs difusos de 5 mm de cor vermelha

Para não danificar os LEDs:

1007,96030,0

1,25sup

LED

LEDply

I

VVR

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Hardware: Alimentação do Sistema e Outras Considerações


Quando o Arduino não está ligado a um computador por USB

Bateria 9V

Sensor de corrente escolhido só mede a corrente que atravessava uma fase condutora

Descarnou-se uma extensão eléctrica

• Facilita a ligação do sensor de tensão ao Arduino• Permite ligar 3 electrodomésticos ao mesmo tempo

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Hardware: Esquema de montagem


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Software: Algoritmo


Tempo entre amostras 377µs

3000 amostras – cálculo da potencia ser feito a cada segundo

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Software: Código


Definição de constantes e variáveis

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Software: Código


SETUP

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Software: Código


CALCULATE_POWER

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Software: Código


LOOP

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Simulação e Teste


Testes com vista a efectuar a validação

• Arduino - Programa para acender LEDs a partir de uma resistência variável

• Tensões aos terminais dos sensores

• O bom funcionamento dos LEDs

• Medições em diferentes equipamentos LEDs acendiam em proporção ao montante do consumo

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Simulação e Teste


Serial Monitor do Arduino + Contador tradicional

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Conclusões

Obrigada pela atenção!


• Objectivo de implementar um protótipo foi alcançado

• Visualizador permite uma rápida compreensão periférica do consumo de energia pela simplicidade de interacção com o consumidor

• Solução simples e barata para promover a URE

• Trabalhos futuros para optimização Equipamentos de medição Utilização do Arduino e código desenvolvido Número de LEDs e as suas cores

Arduino - Energy meter

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