Protótipo para sistema de controle e Monitoramento de...
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PROTÓTIPO PARA SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAMENTO DE
CARGA UTILIZANDO COMUNICAÇÃO SEM FIO
Érika Santos do Nascimento
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientadores: Felipe Gomes de Oliveira Cabral
Oumar Diene
Rio de Janeiro
Setembro de 2018
PROTÓTIPO PARA SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAMENTO DE
CARGA UTILIZANDO COMUNICAÇÃO SEM FIO
Érika Santos do Nascimento
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE
DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinado por:
Prof. Oumar Diene, D.Sc.
Prof. Marcos Vicente de Brito Moreira, D.Sc.
Prof. Wesley Rodrigues Silveira, M.Sc.
Prof. Jean Hilaire Adebai Tomola, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL
SETEMBRO DE 2018
Nascimento, Érika Santos do
Protótipo para sistema de controle e Monitoramento
de carga utilizando comunicação sem o/Érika Santos do
Nascimento. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica,
2018.
XIV, 63 p.: il.; 29, 7cm.Orientadores: Felipe Gomes de Oliveira Cabral
Oumar Diene
Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2018.
Referências Bibliográcas: p. 51 52.
1. Microcontrolador ESP8266. 2. Automação
residencial. 3. Internet das coisas. I. Cabral, Felipe
Gomes de Oliveira et al. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica.
III. Título.
iii
A mente que se abre a uma
nova ideia jamais voltará ao seu
tamanho original.
Albert Einstein
iv
Agradecimentos
Primeiramente, quero agradecer a Deus por ter conseguido chegar até o nal do
curso, pois foram muitos desaos enfrentados e a minha fé me manteve na cami-
nhada. Quero agradecer aos meu pais Cláudia e João, por tudo em minha vida,
pelo carinho, pelo apoio, e por proporcionarem a realização da minha faculdade,
que sempre foi um grande sonho para mim. Aos meus avós Neusa e Jorge pelo
carinho e a hospedagem para que eu pudesse continuar na universidade. Aos meus
irmãos Érick e Emerson pelo carinho e apoio que sempre me deram. À minha prima
Andrezza por sempre me incentivar. Aos meus familiares por sempre estarem do
meu lado. Aos meus amigos por estarem comigo nessa caminhada de anos e por
fazerem parte da minha vida.
Quero agradecer ao meu orientador Felipe por ter a paciência em me orientar,
mesmo à distância. Quero agradecer também pelo material emprestado, e pelas
ideias propostas ao meu projeto. Agradeço também ao professor Oumar por me
orientar nessa reta nal de curso.
Quero agradecer ao meu amigo João por emprestar o material para o meu projeto
e me ajudar com ideias e a minha amiga Christiana por revisar o meu texto.
Por m, agradeço a todos que zeram parte da minha vida e que contribuíram
para que eu realizasse um grande sonho.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
PROTÓTIPO PARA SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAMENTO DE
CARGA UTILIZANDO COMUNICAÇÃO SEM FIO
Érika Santos do Nascimento
Setembro/2018
Orientadores: Felipe Gomes de Oliveira Cabral
Oumar Diene
Curso: Engenharia Elétrica
Atualmente, a demanda de energia elétrica está crescendo no Brasil. No en-
tanto, é fundamental buscar soluções para o consumo mais eciente. Dessa forma,
a automação residencial junto com a tecnologia usada na internet das coisas (IoT)
podem ajudar a reduzir o consumo de energia elétrica com métodos de aplicação
que operam por comunicação wireless, oferecendo mais praticidade e segurança.
Apresenta-se, neste projeto, uma proposta de protótipo de um monitorador de
carga com capacidade de controle de acionamento por rede WiFi, com o uso do
microcontrolador ESP8266. O ESP8266 é um dispositivo de baixo custo capaz de se
comunicar por uma rede sem o e ser aplicado em sistemas embarcados. O objetivo
é orientar os interessados na utilização desse microcontrolador para projetos de
automação residencial.
Palavras-Chaves: Microcontrolador ESP8266, automação residencial, internet
das coisas.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulllment
of the requirements for the degree of Engineer.
PROTOTYPE FOR CONTROL SYSTEM AND LOAD MONITORING USING
WIRELESS COMMUNICATION
Érika Santos do Nascimento
September/2018
Advisors: Felipe Gomes de Oliveira Cabral
Oumar Diene
Course: Electrical Engineering
Currently, demand for electricity is growing in Brazil. However, it is fundamental
to seek solutions for the most ecient consumption. In this way, home automation
with the technology used in the Internet of Things (IoT) can help reduce the con-
sumption of electrical energy with application methods that operate through wireless
communication, oering more practicality and safety.
In this work, we present a proposal of a prototype of a load monitor with ca-
pacity of activation control by a WiFi network, with the use of the microcontroller
ESP8266. The ESP8266 is a low-cost device capable of wireless comunication and
being applied to embedded systems. The goal is to guide the use of this microcon-
troller for residential automation projects.
Keywords: ESP8266 microcontroller, home automation, IoT.
vii
Sumário
Lista de Figuras x
Lista de Tabelas xii
Lista de Símbolos xiii
Lista de Abreviaturas xiv
1 Introdução 1
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Descrição do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Fundamentos Teóricos 4
2.1 Circuitos elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Leis de Kirchho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 Associação de resistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 Divisor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.5 Cálculo de potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.6 Corrente alternada e Valor ecaz (RMS) . . . . . . . . . . . . 7
2.1.7 Efeito Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.8 Energia elétrica no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Arquitetura de rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Rede wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Microcontrolador ESP8266 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 ESP8266-01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 Módulo ESP8266 NodeMCU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Sensores e Atuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1 Receptor Infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.2 Emissor Infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.3 Sensor de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
viii
2.4.4 Sensor de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.5 Relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Método Proposto 21
3.1 Programação do ESP8266-01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Modo gravação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.2 Modo execução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Funções de programação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 Criando uma rede Wi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2 Criando uma página em HTML . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Enviando e Recebendo sinais Infravermelhos . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Acionamento de cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5 Leitura da corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Resultados 38
4.1 Teste: Infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Teste: Lâmpada incandescente e prancha de cabelo . . . . . . . . . 40
4.3 Aquisição de dados dos testes simulados . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4 Diculdades apresentadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 Conclusões 48
5.1 Custos de montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 Sugestões de trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Referências Bibliográcas 51
A Códigos 53
A.1 Código - Infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
A.1.1 Clonando o sinal infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
A.1.2 Enviando o sinal infravermelho . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
A.2 Código - Declaração de variáveis e bibliotecas . . . . . . . . . . . . . 56
A.3 Código - Leitura da corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
A.4 Código - Void setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
A.5 Código - Void loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
ix
Lista de Figuras
2.1 Associação de resistores em série. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Associação de resistores em paralelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Circuito divisor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Topologias de rede: a) estrela, b) anel, c) árvore. . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Representação da pinagem do ESP8266-01. . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Representação da pinagem do módulo ESP8266-NodeMCU. . . . . . 16
2.7 Representação da pinagem do módulo GBK-P14. . . . . . . . . . . . 17
2.8 Representação da ligação com o LED TIL32 e foto do LED. . . . . . 18
2.9 Foto do sensor de corrente ACS 712 20A . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.10 Foto do sensor de tensão P8 GBK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.11 Foto do relé SRD-05VDC-SL-C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1 Layout da IDE do Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 1o passo daiInstalação da biblioteca do ESP8266-01. . . . . . . . . . . 23
3.3 2o passo da instalação da biblioteca do ESP8266-01. . . . . . . . . . . 24
3.4 3o passo da instalação da biblioteca do ESP8266-01. . . . . . . . . . . 25
3.5 4o passo da instalação da biblioteca do ESP8266-01. . . . . . . . . . . 25
3.6 Foto do módulo USB FTDI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.7 Esquema de ligação para o modo gravação. . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.8 Conversor de nível lógico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.9 Esquema de ligação para o modo Execução. . . . . . . . . . . . . . . 28
3.10 Circuito com a conexão do receptor IR ao NodeMCU. . . . . . . . . . 31
3.11 Circuito com a conexão do emissor IR ao NodeMCU. . . . . . . . . . 31
3.12 Circuito com a conexão para o acionamento da carga com relé. . . . . 32
3.13 Circuito com a conexão para o acionamento da carga com o interruptor. 33
3.14 Circuito com a conexão para o acionamento da carga com o interrup-
tor e sensor de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.15 Circuito com a conexão para o acionamento da carga com o interrup-
tor e sensor de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.16 Circuito com a conexão do sensor ACS 712 ao NodeMCU. . . . . . . 36
3.17 Esquemático do projeto implementado. . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
x
4.1 Foto do protótipo montado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2 Página em HTML hospedada no servidor do ESP. . . . . . . . . . . . 39
4.3 Leitura de corrente pelo sensor ACS visualizada na página, nos pri-
meiros instantes, carga: lâmpada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4 Leitura de corrente pelo alicate amperímetro, carga: lâmpada. . . . . 41
4.5 Leitura de corrente pelo sensor ACS visualizada na página, após al-
guns segundos, carga: lâmpada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.6 Leitura de corrente pelo sensor ACS visualizada na página, nos pri-
meiros instantes, carga: lâmpada e prancha. . . . . . . . . . . . . . . 42
4.7 Leitura de corrente pelo alicate amperímetro, nos primeiros instantes,
carga: lâmpada e prancha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.8 Leitura de corrente pelo sensor ACS visualizada na página, após al-
guns segundos, carga: lâmpada e prancha. . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.9 Leitura de corrente pelo alicate amperímetro, após alguns segundos,
carga: lâmpada e prancha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.10 Planilha de resultados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.11 Gráco da corrente medida pelo sensor pelo tempo decorrido. . . . . 45
4.12 Gráco da potência da carga pelo tempo decorrido. . . . . . . . . . . 46
4.13 Gráco da energia consumida pelo tempo decorrido. . . . . . . . . . . 46
5.1 Foto do ESP - 32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 Foto do sensor de gás de cozinha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
xi
Lista de Tabelas
2.1 Especicações técnicas do ESP8266. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Descrição da pinagem do ESP8266-01. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Descrição da pinagem do ESP8266 NodeMCU . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Características técnicas do módulo GBK-P14 . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Características técnicas do emissor LED TIL32 . . . . . . . . . . . . 17
2.6 Características técnicas do ACS 712 20A . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 características técnicas do sensor de Tensão P8 . . . . . . . . . . . . . 19
2.8 características técnicas do relé SRD-05VDC-SL-C . . . . . . . . . . . 20
4.1 Resultados dos testes realizados da leitura de corrente pelo sensor
ACS e pelo alicate amperímetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1 Custos dos componentes para a montagem do projeto. . . . . . . . . 49
xii
Lista de Símbolos
Ω Ohm, unidade de medida de resistência, p. 21
A Ampere, unidade de medida de corrente elétrica, p. 20
Bytes Unidade de medida de capacidade de armazenamento em in-
formática, p. 14
Giga(G) prexo do sistema internacional que indica que a unidade de
medida padrão foi multiplicada por 109, p. 13
Hz Hertz, unidade de medida de frequência, p. 13
MWh Megawatt-hora, unidade de medida de energia, p. 11
Mbps Mega bite por segundo, unidade de medida de transmissão de
dados, p. 13
Mega(M) prexo do sistema internacional que indica que a unidade de
medida padrão foi multiplicada por 106, p. 11
Quilo (k) prexo do sistema internacional que indica que a unidade de
medida padrão foi multiplicada por mil, p. 11
V Volt, unidade de medida de tensão elétrica, p. 11
W Watt, unidade de medida de potência ativa, p. 9
m metro, unidade de medida de comprimento, p. 19
mili(m) prexo do sistema internacional que indica que a unidade de
medida padrão foi multiplicada por 10−3, p. 19
nano(n) prexo do sistema internacional que indica que a unidade de
medida padrão foi multiplicada por 10−9, p. 19
xiii
Lista de Abreviaturas
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas, p. 2
CA Corrente Alternada, p. 9
CC Corrente Contínua, p. 23
GIPO Entrada/saída de uso geral, p. 16
HTML Linguagem utilizada para desenvolver websites, p. 32
IP Protocolo de internet, número que identica um dispositivo de
rede, p. 30
LCK Lei das correntes de Kirchho, p. 5
LTK Lei das tensões de Kirchho, p. 5
MIT Instituto de Tecnologia de Massachusetts, p. 1
MME Ministério de Minas e Energia, p. 11
PWM Pulse Width Modulation, p. 16
RMS Root Mean Square, p. 9
TCP Transmission Control Protocol, p. 12
http Hypertext Transfer Protocol, protocolo de comunicação, p. 32
xiv
Capítulo 1
Introdução
As instalações elétricas prediais no Brasil, regidas pela norma NBR 5410 [1],
constituem-se, resumidamente, de condutores, eletrocalhas, medidores de consumo
para tarifação e equipamentos de proteção contra sobrecorrente. Na grande maioria
das instalações não há equipamentos de monitoramento e automação, que podem
oferecer praticidade e segurança aos consumidores. Apesar de existirem soluções
de automação residencial, essas ainda não são adotadas por uma parcela conside-
rável da população devido aos altos custos e necessidade de modicações prediais.
Com o desenvolvimento tecnológico atual, é possível utilizar sistemas computado-
rizados integrados a equipamentos elétricos tradicionais, dotando-os de capacidade
de processamento e conexão em rede, dando origem à chamada Internet das coisas
(IoT).
O termo Internet das coisas vem do inglês Internet of Things (IoT) [2], e
refere-se a uma inovação tecnológica que tem como objetivo conectar objetos físicos
e dispositivos eletrônicos à internet, de tal forma que seja possível coletar e transmitir
dados referente a esses dispositivos. O conceito foi desenvolvido pelo Instituto de
Tecnologia de Massachusetts (MIT), tendo sido criado em 1999 por Kevin Ashton.
A internet das coisas surgiu de avanços de várias áreas como automação, sistemas
embarcados, microeletrônica, sensoriamentos e comunicações.
Dessa forma, aparelhos podem ser conectados a alguma rede, como à internet por
exemplo. Essa rede, por meio de inteligência aplicada a estes dispositivos, consegue
identicar cada aparelho e dispositivo que esteja conectado, registrando em um
banco de dados. O registro de dados permite detectar mudanças na qualidade física
de coisas que estejam usando um sensoriamento, de forma a processar e transmitir
informações destes dispositivos para diferentes pontos.
Na distribuição da rede elétrica, os benefícios da Internet das coisas e da auto-
mação residencial vêm sendo cada vez mais usados [3]. Atualmente, é possível a
utilização de conceitos como smart grid para soluções de monitoramento das redes
de operação [4]. Assim, é possível observar e colher informações sobre o comporta-
1
mento de cargas, por meio da instalação de automação, sensoriamento e medidores
inteligentes que auxiliam na supervisão da rede. Desta forma, as tomadas de deci-
são podem ser mais rápidas para a manutenção, o monitoramento e uso correto de
equipamentos.
Com isso, os dados obtidos podem ser processados e transmitidos para uma
central de operação. Esses dados podem ser armazenados em nuvem e acessados
pela internet, também sendo possível o controle de cargas à distância.
1.1 Motivação
A economia de energia está sendo muito discutida e incentivada pelo governo e a
sociedade no cenário atual. Com a alta das tarifas de energia elétrica, é preciso
buscar soluções e medidas para contornar o aumento da demanda de consumo de
energia elétrica, como a utilização da tecnologia e automação residencial.
A iluminação e eletrodomésticos consomem grande parte da energia residencial.
Com a utilização da automação, é possível apagar todas as luzes da residência, desli-
gar pontos de ar condicionado e outros eletrodomésticos, por meios de comandos que
podem ser enviados à distância por um aplicativo ou outras interfaces via internet
ou rede sem o local.
Na indústria, a tarifação de energia elétrica não depende apenas do consumo,
mas também do horário do dia [5]. O custo do consumo de energia pode variar
de acordo com o turno em que uma carga ou equipamento está operando. Assim,
é possível reduzir o consumo industrial gerenciando o horário em que determina-
das cargas entram em funcionamento. Esse gerenciamento pode ser feito de forma
automatizada. Embora a tarifação por horário não seja aplicada a consumidores
residenciais, esse tipo de cobrança pode ser feito no futuro.
No entanto, as soluções de tecnologia e internet das coisas oferecidas pelo mer-
cado para a automação residencial ainda representam um alto custo para a sua
instalação. Geralmente, essas soluções são desenvolvidas por empresas internacio-
nais e o incentivo desta área de pesquisa no nosso país é pouco motivado.
Além disso, a automação residencial pode trazer conforto e segurança, propor-
cionando um ambiente prático, seguro e agradável. Com comandos através de apli-
cativos, é possível a abertura ou fechamento de portões, a utilização de sensores de
segurança para detecção de presença em um espaço interno de uma casa, controle
de vários eletrodomésticos e entre outras aplicações.
Portanto, com a tecnologia de internet das coisas, podemos controlar cargas para
reduzir o consumo de energia, com soluções sem o que operam por comunicação
wireless. Isso pode ser feito em prédios e casas já construídos com o mínimo de
interferência nos ambientes. Além de poder monitorar o consumo de energia da
2
carga e observar se está dentro dos padrões (de segurança) das normas ABNT.
1.2 Objetivo
O objetivo deste projeto é apresentar um tutorial, utilizando microcontroladores,
para o desenvolvimento de uma solução simples a m de controlar e monitorar o
consumo de cargas em baixa tensão tipicamente residencial.
Para o desenvolvimento, é utilizado o ESP8266, que é um microcontrolador ba-
rato que oferece as funções necessárias para o projeto. No entanto, por ser relativa-
mente novo no mercado em relação a outros microcontroladores (como o Arduino),
existem poucos manuais explicativos na internet. Também são utilizados sensores
para o desenvolvimento do projeto. O protótipo realiza acionamento de cargas por
um relé e também por sinais infravermelhos. Este projeto visa ensinar o funci-
onamento e aplicações do microcontrolador em uma solução de baixo custo para
automação residencial.
1.3 Descrição do Trabalho
Este trabalho está organizado da seguinte forma.
No capítulo 2, estão os fundamentos teóricos e as descrições dos materiais e com-
ponentes utilizados para o desenvolvimento do projeto. Os métodos propostos com
o detalhamento do desenvolvimento para a elaboração do trabalho estão descritos
no capítulo 3. No capítulo 4, são apresentados os resultados de testes e ensaios do
protótipo desenvolvido. E por último, no capítulo 5, será apresentada a conclu-
são do trabalho, baseada nos resultados do projeto desenvolvido e propostas para o
melhoramento e desenvolvimento da continuação do protótipo.
3
Capítulo 2
Fundamentos Teóricos
Neste capítulo são apresentados conceitos relacionados ao desenvolvimento do pro-
jeto e a descrição dos componentes utilizados.
2.1 Circuitos elétricos
Circuito elétrico é o conjunto de componentes no qual é possível que haja corrente
elétrica. E um sistema elétrico é um conjunto de circuitos elétricos inter-relacionados
[6] .
A corrente e a tensão são duas grandezas básicas em circuitos elétricos. Além
destas, temos a potência para também descrever um circuito elétrico. A potência
(p) é a grandeza denida como a varição de energia (J) em função do tempo. Esta
relação é descrita na equação 2.1.
p =dw
dt= v × i (2.1)
2.1.1 Lei de Ohm
Um material capaz de resistir a um uxo de corrente pode ser modelado por um
elemento de circuito chamado resistor (R) [8], sendo sua medida em ohms (Ω). Bons
condutores possuem pequena resistividade, enquanto materiais isoladores possuem
grandes resistividades.
A lei de Ohm estabelece que a resistência elétrica de um material condutor é a
razão entre a diferença de potencial e corrente elétrica, demonstrada na equação 2.2.
R =v
i(2.2)
Um elemento de circuito com R = 0 é chamado de curto-circuito, e com isso a
tensão é zero. Um elemento no qual R =∞ é chamado de circuito aberto, no qual
a corrente é zero.
4
A potência dissipada em um resistor pode ser denida como na equação 2.3 [7].
p = v × i = i2R =v2
R(2.3)
2.1.2 Leis de Kirchho
As leis de Kirchho são aplicadas em circuitos elétricos mais complexos. Elas são
conhecidas como lei das correntes de Kirchho (LKC) e lei das tensões de Kirchho
(LTK) [7].
A lei das correntes de Kirchho (LKC) estabelece que em um nó a soma algébrica
das correntes é zero. Esta relação está descrita na equação 2.4 .
N∑k=1
ik = 0 (2.4)
A lei das tensões de Kirchho (LTK) estabelece que a soma algébrica da diferença
de potencial em um caminho fechado (malha) é zero. Esta relação está descrita na
equação 2.5 .N∑
m=1
vm = 0 (2.5)
Nó é um ponto onde três ou mais ramos são ligados e malha é um caminho
condutor fechado.
2.1.3 Associação de resistores
Elementos de circuito que conduzem a mesma corrente estão ligados em série. Na
gura 2.1, está demonstrada a associação de resistores ligados em série.
Figura 2.1: Associação de resistores em série.
A resistência equivalente para uma ligação em série é descrita na equação 2.6.
Req =k∑
i=1
Ri = R1 +R2 + ...+Rk (2.6)
5
Elementos de circuito ligados a um único par de nós estão ligados em paralelo.
Na gura 2.2, está demonstrada a associação de resistores ligados em paralelo.
Figura 2.2: Associação de resistores em paralelo.
A resistência equivalente para uma ligação em paralelo é descrita na equação 2.7.
1
Req
=k∑
i=1
1
Ri
=1
R1
+1
R2
+ ...+1
Rk
(2.7)
2.1.4 Divisor de tensão
Ocasionalmente, é necessário existir mais um nível de tensão a partir de uma única
fonte de alimentação, particularmente como no circuito eletrônico a ser implemen-
tado no projeto [8]. Uma forma de fazer isso é utilizando um divisor de tensão,
representado na gura 2.3.
Figura 2.3: Circuito divisor de tensão
Pela lei das correntes de Kirchho, R1 e R2, conduzem a mesma corrente.
Para uma tensão V o, temos de acordo com a equação 2.8:
Vo = VsR2
R1 +R2
(2.8)
2.1.5 Cálculo de potência
Como denido anteriormente, a potência em qualquer instante de tempo é demons-
trada na equação 2.1. Essa é a potência instantânea [8].
6
A tensão e corrente alternadas de forma senoidal podem ser expressas nas equa-
ções 2.9 e 2.10.
v = Vmcos(wt+ θv) (2.9)
i = Imcos(wt+ θi) (2.10)
Em que θv é o ângulo de fase da tensão e θi é o ângulo de fase da corrente. Vm e
Im são as amplitudes dos sinais de tensão e corrente e w é a frequência angular da
função senoidal, sendo f a frequência que representa o número de ciclos por segundo.
Um ciclo por segundo é denido como hertz (Hz), o período de um ciclo é denido
com T. Nas equações 2.11 e 2.12, estão representadas as relações matemáticas.
f =1
T(2.11)
w = 2πf (2.12)
Substituindo as equações 2.9 e 2.10 na equação 2.1, temos:
p = VmImcos(wt+ θv − θi) (2.13)
A potência ativa ou média (P) é a potência que efetivamente realiza trabalho e
é medida em watts (W). Está descrita na equação 2.14.
P =1
2VmImcos(θv − θi) (2.14)
A potência reativa (Q) é a parcela da potência instantânea que não é convertida
em trabalho, sendo armazenada em cargas indutivas e capacitivas. Está descrita na
equação 2.15.
Q =1
2VmImsen(θv − θi) (2.15)
2.1.6 Corrente alternada e Valor ecaz (RMS)
Pela norma NBR 5410 [1], as instalações elétricas de baixa tensão são instalações
cuja tensão nominal é igual ou inferior a 1000 volts em corrente alternada (CA) ou
a 1500 volts em corrente contínua.
O sistema elétrico brasileiro é composto por três componentes [9]: Geração,
transmissão e distribuição sob a forma trifásica, alternada e com uma frequência de
60 Hz. A unidade consumidora é a instalação elétrica que recebe energia em um só
7
ponto por meio de uma rede de distribuição.
As instalações de baixa tensão podem ser alimentadas por uma rede de distri-
buição por meio de um ramal de ligação ou de uma rede de alta tensão por meio
de uma subestação abaixadora ou um transformador. Os consumidores residenciais
estão inseridos nessas instalações e, portanto, recebem energia elétrica em corrente
alternada com valor de tensão de 127 V fase-neutro e 220 V fase-fase (como por
exemplo nos estados do Rio de Janeiro, Bahia, Rio Grande do Sul, ...) ou 220 V
fase-neutro e 380 V fase-fase (nos estados de Santa Catarina, Alagoas, Tocantins,...).
Esses valores de tensão são valores ecazes (RMS).
O valor nominal de muitos equipamentos elétricos, como motores elétricos é
baseado no valor RMS.
O valor ecaz ou RMS da corrente, de acordo com SADIKU (2008) [7], é o valor
ecaz medido de uma fonte de tensão ou corrente que transmite uma potência média
a uma carga resistiva.
O valor ecaz pode ser obtido por:
Frms =
√√√√√ 1
T.
T∫0
[f(t)]2.dt (2.16)
Em que Frms é o valor ecaz e T o período da função f(t). Para um sistema
discreto, a função integral pode ser substituída por um somatório:
Frms =
√√√√ 1
N.
N∑j=1
[f(j)]2 (2.17)
Sendo N, na equação 2.17 o número de pontos coletados no sistema discreto.
O valor ecaz de uma corrente i(t) senoidal com amplitude Im, também pode
ser expressado por:
Irms =Im√
2(2.18)
O valor ecaz de uma tensão v(t) senoidal com amplitude Vm, pode ser expressado
por:
Vrms =Vm√
2(2.19)
Substituindo as equações 2.18 e2.19 na equação 2.14, podemos denir a potência
média fornecida a um resistor R como:
P = Vrms × Irms =V 2rms
R= I2rmsR (2.20)
8
2.1.7 Efeito Hall
O efeito Hall é caracterizado pela presença de uma diferença de potencial em um
condutor elétrico em uma direção perpendicular ao campo magnético e à corrente
HAYT[10]. Essa tensão é conhecida como tensão de Hall.
Um sensor de efeito Hall é um transdutor capaz de variar sua tensão de saída
quando exposto a um campo magnético. Estes sensores são muitos utilizados em
sistemas embarcados, para o sensoriamento de corrente, velocidade, entre outras
aplicações. Neste projeto serão utilizados alguns sensores de efeito Hall.
2.1.8 Energia elétrica no Brasil
A energia elétrica é utilizada em todos os segmentos da sociedade e está relacionada
diretamente com o desempenho da economia. O seu consumo gera um custo que é
calculado conforme a quantidade utilizada, seu tipo de uso e até mesmo o horário de
uso. Os consumidores pagam por meio de uma conta recebida da empresa distribui-
dora um valor relacionado à quantidade de energia consumida durante um período
de tempo.
De acordo com o manual de tarifação do MME [5] e [11], o consumo de energia
elétrica é a quantidade de potência elétrica consumida em um intervalo de tempo
(MWh), normalmente por 30 dias. A demanda é a média das potências elétricas,
durante um intervalo de tempo especicado (normalmente 15 minutos), que é soli-
citada pelo consumidor ao sistema elétrico.
A tarifa de energia, que é o preço da unidade de energia elétrica (R$/MWh),
é denida principalmente, de acordo com a demanda de potência e o consumo de
energia. No Brasil, a tarifa de demanda de potência não é paga por todos os consu-
midores. O valor a ser pago depende da estrutura tarifária e da categoria na qual o
consumidor está inserido. Existem dois grupos tarifários de consumidores chamados
de grupo A e grupo B. O agrupamento é denido de acordo com o nível de tensão
e em função da demanda.
No grupo A, estão os consumidores atendidos pela rede de alta tensão, de 2,3 a
230 kV, como indústrias, alguns edifícios comerciais, shoppings, entre outros. Para
esse grupo existem três modalidades de fornecimento: tarifa convencional, tarifa
hora-sazonal verde e tarifa horo-sazonal azul. Essas tarifas estão caracterizadas pela
combinação da tarifa de consumo de energia e da tarifa de demanda de potência,
dependendo ou não do horário de utilização e dos períodos do ano.
O grupo B atende os consumidores que têm o nível de tensão abaixo de 2300
volts. Estão nessa classe: residências, lojas, edifícios residenciais, grande parte dos
edifícios comercias, pequenas ocinas, entre outros. Na maioria dos consumidores,
o nível de tensão é 127 ou 220 volts. As tarifas para esse grupo são estabelecidas
9
somente para o consumo de energia decorrente de potência ativa (R$/MWh).
2.2 Arquitetura de rede
Arquitetura de rede é um conjunto de camadas e protocolos para interconexões de
aparelhos ou dispositivos. Para receber ou compartilhar informações por uma rede,
é necessário de uma linguagem para a comunicação entre esses dispositivos, chamada
de protocolo de comunicação de rede [12].
Um desses protocolos é o TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Pro-
tocol), que é um protocolo de comunicação muito utilizado atualmente. Ele permite
endereçar e encaminhar pacote de dados, sendo assim, é o protocolo base para in-
ternet e para a maioria de redes locais.
Existem diversos tipos de redes de computadores. As redes são classicadas
pela área geográca, pela topologia ou pelo tipo comunicação [13]. Topologia é a
forma como os componentes (estações) de uma rede estão associados. Existem duas
categorias básicas: física e lógica. A topologia física está relacionada com arranjo
físico e a lógica está relacionada com a forma como os dados transitam nos canais
de comunicação.
A rede wireless tem duas topologias de rede: ponto-a-ponto e estrela. A topologia
ponto-a-ponto é uma rede formada por diversos canais de comunicação associados a
um par de estações de cada vez. Nesse tipo de topologia, é permitido que um ponto
funcione tanto como cliente quanto como servidor, sem a necessidade de um servidor
central. A topologia estrela é uma rede que utiliza um dispositivo central chamado
hub, em que toda informação passa por ele e é conectado a todos os dispositivos da
rede.
No projeto implementado, o protocolo de comunicação usado é o TCP/IP e a
topologia usada é a estrela, em que o microcontrolador ESP8266, computadores,
celulares e outros aparelhos se conectam a um roteador.
Na gura 2.4, estão representadas algumas das formas de topologia.
Figura 2.4: Topologias de rede: a) estrela, b) anel, c) árvore.
10
2.2.1 Rede wireless
Uma das tecnologias utilizadas na internet das coisas é a rede wireless. A rede wire-
less é uma rede de conexão sem o que permite a transmissão de informações. Ela
funciona por meio de equipamentos que usam radiofrequência, como a comunicação
via ondas de rádio, via satélite e comunicação via infravermelho, entre outros. A
transferência de dados é feita utilizando um dispositivo chamado Access Point. Com
isso é possível transformar os dados da rede em ondas de rádio e transmitir por meio
de antenas.
Existem três tipos principais de padrão usados para a Rede Wireless [14]:
802.11b, 802.11a e 802.11g. O padrão 802.11a opera com uma frequência de 5Ghz,
com um alcance de até 30 metros e podendo chegar a uma velocidade de 54 Mbps. O
padrão 802.11b tem velocidade máxima de 11 Mbps e alcance máximo operacional
de 100 metros em ambiente fechado e 180 metros em área aberta, com uma frequên-
cia de 2.4 GHz. E o padrão 802.11g combina conceitos da 802.11a e do 802.11b,
com uma velocidade igual do 802.11a e usa a frequência de 2.4 GHz.
2.3 Microcontrolador ESP8266
Omicrocontrolador é um pequeno dispositivo com um circuito integrado a um micro-
processador. A sua estrutura interna também é formada por periféricos de entrada
e saída e circuitos de memória (RAM, ROM, ash, ou PROM). Microcontroladores
são usualmente empregados em sistemas embarcados utilizando uma lógica progra-
mável.
O ESP8266 é um módulo com um microcontrolador integrado fabricado pela
empresa Espressif Systems, que possui uma antena WiFi. Ele é capaz de se comuni-
car com outros microcontroladores funcionando como um shield WiFi (shield é uma
placa de circuito impresso com conectores). Também por possuir um processador
próprio é capaz de hospedar aplicações e controlar sistemas embarcados.
Este módulo possui um baixo custo com um bom desempenho, sendo muito
utilizado em monitoramento remoto, rede de sensores, na robótica, automação resi-
dencial, entre outras aplicações.
O protocolo de comunicação utilizado é o IEEE 802.11, também conhecido como
rede WiFi ou wireless. Na tabela 2.1, sao mostradas as especicações técnicas do
ESP8266 [15].
11
Tabela 2.1: Especicações técnicas do ESP8266.Item Parâmetro
Tensão de operação (V) 2,5 - 3,6
Corrente de operação ( mA) 80
Protoclo de comunicação 802.11 b/g/n
Faixa de frequência (GHz) 2,4 - 2,5
Arquitetura do processador Tensilica L106 32- bit RISC
Velocidade do processador (MHz) 80/160
Memória RAM 32 kBytes + 96 kBytes
Memória FLASH 512 kB normal/ 16 MB máxFonte: [15].
Sua memória RAM possui 32 bytes para instruções e mais 96 kBytes para dados.
A ROM possui 64 kBytes. Também possui uma memória FLASH SPI de 512 kBytes
em condições normais podendo se expandir até 16 MB. O processador é Tensilica
L106 32-bit RISC, com o clock de operação podendo ser 80 ou 160 MHz.
Existem doze modelos do ESP8266, alguns serão apresentador a seguir.
2.3.1 ESP8266-01
O modelo ESP2866-01 possui 8 pinos, cuja pinagem é descrita na tabela 2.2, e é
mostrado na gura 2.5.
12
Tabela 2.2: Descrição da pinagem do ESP8266-01.Pino Nome Descrição
01 TXTransmissão serial - modo gravação
GPIO1 - modo execução
02 CH_PD
Enable do ESP8266
Nível 1 - ativado
Nível 0 - desativado
03 RSTNìvel 1 - normal
Nível 0 - Reset
04 VCC 3,3 V
05 GND Terra
06 GPIO2 Nível 1 - para incialização do programa
07 GPIO0Nível 0 - modo gravação
Nível 1 - modo execução
08 RXRecepção serial - modo gravação
GPIO3- modo execuçãoFonte: [15].
13
Figura 2.5: Representação da pinagem do ESP8266-01.
2.3.2 Módulo ESP8266 NodeMCU
O módulo ESP8266 NodeMCU é uma placa integrada com o chip ESP8266-12. Este
possui mais saídas e entradas GIPOs (10) com função PWM, cuja pinagem é descrita
na tabela 2.3 e é ilustrado na gura 2.6. Este módulo possui uma interface usb-serial
e um regulador de tensão de 3.3 V acoplado, podendo assim ser alimentado por 5
V. A sua programação pode ser feita utilizando LUA [16], que é uma linguagem de
programação, ou a IDE do Arduino [17].
14
Tabela 2.3: Descrição da pinagem do ESP8266 NodeMCUPino Nome Descrição
A0 ADCConversão A / D. Faixa de tensão de entrada 0-1 V,
escopo: 0-1024
RSV NC Reservado
RSV NC Reservado
RSV NC Reservado
RSV NC Reservado
RSV NC Reservado
RSV NC Reservado
GND GND Terra
3V3 3.3V Saída de 3,3 V
GND GND Terra
3V3 3.3V Saída de 3,3 V
EN EN Enable do ESP8266: Nível 1 - ativado, Nível 0 - desativado
RST RST Nível 1 - normal, Nível 0 - reset
GND GND Terra
5V 5V Saída de 5 V
D0 GPIO16 pode ser usado para ativar o chipset do sleep mode
D1 GPIO5 GPIO5
D2 GPIO4 GPIO4
D3 GPIO0 GPIO0: Nível 1 - modo gravação, Nível 0 - modo execução
D4 GPIO2, TXD1 GPIO2 - modo execução, Transmissão serial 1- modo gravação
3V3 3.3V Saída de 3,3 V
GND GND Terra
D5 GPIO14 GPIO14, HSPI_CLK
D6 GPIO12 GPIO12, HSPI_MISO
D7 GPIO13, RXD2 GPIO13 - modo execução, RXD2 - modo gravação, HSPID
D8 GPIO15, TXD2GPIO15 - modo execução, Transmissão serial 2- modo gravação,
HSPICS
D9 GPIO03, RXD0 GPIO3 - modo execução, Recepção serial - modo gravação
D10 GPIO1, TXD0 GPIO1 - modo execução, Transmissão serial - modo gravação
GND GND Terra
3V3 3.3 V Saída de 3,3 VFonte: [15]
15
Figura 2.6: Representação da pinagem do módulo ESP8266-NodeMCU.
2.4 Sensores e Atuadores
Os sensores são utilizados em diversas aplicações como na automação residencial ou
industrial. O sensor é um dispositivo responsável pela detecção de alguma grandeza
física ou movimento em um determinado ambiente. Neste projeto, foram empregados
alguns sensores para implementação desta automação, que estão descritos a seguir.
2.4.1 Receptor Infravermelho
O receptor infravermelho usado no projeto foi o módulo GBK P14, que recebe sinais
infravermelhos que são interpretados e enviados a microcontroladores. Ele possui 3
pinos para a ligação com o microcontrolador.
Na tabela 2.4 é apresentado as características técnicas do sensor [18], e na gura
2.7 é representada a pinagem.
16
Tabela 2.4: Características técnicas do módulo GBK-P14Item ParâmetroAlcance até 18 mTensão de Operação 2,7 - 5,5 VÂngulo de Recepção 45o
Frequência 38 kHzFonte: [18].
Figura 2.7: Representação da pinagem do módulo GBK-P14.
2.4.2 Emissor Infravermelho
O Emissor Infravermelho usado no projeto é um fotodiodo TIL32. Ele é um LED que
emite sinais infravermelhos, enviados através de microcontroladores. O seu tamanho
é de 5 mm, e possui um comprimento de onda de 940 nm. É recomendável o uso de
um resistor em série com emissor para uma alimentação maior que tensão máxima
suportada pelo LED. As caraterísticas técnicas estão na tabela 2.5 e a representação
da ligação com o LED está na gura 2.8.
Tabela 2.5: Características técnicas do emissor LED TIL32Item Parâmetro
Comprimento de onda 940 nm
Tensão máxima no LED 1,6 V
Corrente máxima 20 mA
Resistência em série para uma alimentação de 5 V > 220Ω
Fonte: [19].
17
Figura 2.8: Representação da ligação com o LED TIL32 e foto do LED.
2.4.3 Sensor de Corrente
O sensor de corrente permite detectar uma corrente que passa por um determinado
circuito. O sensor usado no projeto foi ACS 712 20 A, que é baseado no efeito
Hall, como descrito na seção 2.1.7, para identicar o campo magnético produzido
por uma corrente que passa pelo circuito. Ele possui uma saída analógica que
varia linearmente com a corrente, podendo ser alternada ou contínua. Precisa ser
alimentado por tensão de entrada de 5 V. O seu sinal de saída em tensão terá
a mesma frequência da corrente que está medindo. Para cada 100 mV enviado
corresponderá a 1 ampère medido. Para uma corrente de -20 A, tem uma saída de
0,5 V, e para uma leitura de 20 A, tem uma saída de 4,5V.
O sensor está representado na gura 2.9, e suas características técnicas na tabela
2.6 [20].
Tabela 2.6: Características técnicas do ACS 712 20AItem Parâmetrofaixa de medição -20 a 20 ATensão de alimentação 5 Vsensitividade de saída 100 mV/ATensão Máx de saída 4,5 VTensão de oset 0,5 VTensão de isolamento (kVRMS) 2,1
Fonte:[20].
18
Figura 2.9: Foto do sensor de corrente ACS 712 20A
2.4.4 Sensor de Tensão
O módulo de sensor de tensão é o P8 da GBK [18], baseado em um divisor de tensão,
com dois resistores de 220kΩ e 10kΩ, portanto, ele precisa ser conectado em paralelo.
Ele é capaz de identicar sinais de tensão alternada 127 V ou 220 V, formado por
um opto acoplador, composto por fototransistor 4N27 [21], que permite isolar a rede
AC do sinal DC emitido para o microcontrolador. Possui três pinos de conexão: o
GND, o 5 V e o sinal.
Na tabela 2.7, está representada as características do sensor de tensão, e na gura
2.10, o sensor.
Tabela 2.7: características técnicas do sensor de Tensão P8Item Parâmetro
Tensão de alimentação CC 5 V
Tensão de Entrada AC 127/220 VFonte: [18].
Figura 2.10: Foto do sensor de tensão P8 GBK.
2.4.5 Relé
O relé é um componente eletromecânico, em que seu acionamento ocorre por meio de
uma corrente elétrica em uma bobina, permitindo a comutação de contatos elétricos.
O módulo de relé usado é o SRD-05VDC-SL-C 2.11 que está representado na gura
19
2.11. A sua tensão de operação é 5 V CC. As suas especicações estão na tabela
2.8.
Tabela 2.8: características técnicas do relé SRD-05VDC-SL-CItem Parâmetro
tensão de alimentação CC 5 V
capacidades de operação10 A/ 30 VCC
10 A/ 240 VACFonte:[22].
Figura 2.11: Foto do relé SRD-05VDC-SL-C.
Fonte: [23].
20
Capítulo 3
Método Proposto
Neste capítulo são apresentados os métodos desenvolvidos para a elaboração do
projeto em forma de tutorial. Passando pelas etapas de instalação do software,
criação da interface do monitor e conexão dos componentes necessários.
3.1 Programação do ESP8266-01
A programação do ESP8266-01 é feita em linguagem C e é compilada por uma ferra-
menta (um software) que permite a geração do executável do código que foi criado.
O software utilizado foi a IDE do Arduino que é um ambiente de desenvolvimento
integrado. Na gura 3.1 é mostrado o seu layout. Os programas são rodados na sua
própria memória, sem a necessidade de estar ligado sicamente a outro tipo de dis-
positivo como computador ou microcontrolador, sendo apenas alimentado por uma
fonte CC, e sua comunicação é por meio da rede WiFi. Para ilustrar os circuitos
implementados, foi utilizado o sofware Fritzing [24], que é gratuito e open-source.
21
Figura 3.1: Layout da IDE do Arduino.
Para programar no ESP8266 é necessário instalar a biblioteca do mesmo. A
seguir é demonstrado o passo a passo da instalação.
• 1- Selecione o opção Preferências no menu Arquivos , como demonstrado
na gura 3.2.
22
Figura 3.2: 1o passo daiInstalação da biblioteca do ESP8266-01.
• 2- Insira a URL no campo URLs Adicionais para gerenciadores de Pla-
cas: http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json,
como demonstrado na gura 3.3.
23
Figura 3.3: 2o passo da instalação da biblioteca do ESP8266-01.
• 3- Selecione a opção Gerenciadores de Placas no menu Ferramentas, como
demonstrado na gura 3.4.
24
Figura 3.4: 3o passo da instalação da biblioteca do ESP8266-01.
• 4- Selecione a opção esp8266 by ESP8266 Community nas opções que apa-
recem no Gerenciador de Placas, como demonstrado na gura 3.5.
Figura 3.5: 4o passo da instalação da biblioteca do ESP8266-01.
25
3.1.1 Modo gravação
Para carregar o programa para o ESP8266-01 é necessário seguir alguns critérios:
• O ESP8266-01 é alimentado por uma tensão 3,3 V e não possui uma entrada
USB. Para se comunicar com o computador foi necessária a utilização da placa
USB FTDI para fazer a comunicação serial. Com o próprio USB FTDI é
possível selecionar o nível de tensão de saída, facilitando o funcionamento do
circuito e evitando danos;
• É necessário que no momento da gravação o pino GIPO0 seja ligado ao GND;
• O pino TX do ESP é conectado no pino RX do USB FTDI;
• O pino RX do ESP é conectado no pino TX do USB FTDI;
• Os pinos VCC, CH_PD são conectados ao pino VCC do USB FTDI;
• É preciso selecionar a chave de nível de tensão de 3,3 V na saída do USB FTDI;
Na gura 3.6 é mostrado o módulo USB FTDI.
Figura 3.6: Foto do módulo USB FTDI.
Na gura 3.7 é mostrado o esquema de ligação para o modo gravação.
Figura 3.7: Esquema de ligação para o modo gravação.
26
3.1.2 Modo execução
No modo execução, a alimentação pode ser feita por uma fonte externa de 3,3V.
Para uma tensão maior, pode-se usar um conversor de nível lógico, que é mostrado
na gura 3.8, seguindo os seguintes critérios:
• No momento da execução o pino GIPO0 é desconectado do GND;
• É preciso fazer uma referência de tensão de saída e entrada para o conversor
do nível lógico;
• A tensão 5V é conectado ao HV do conversor;
• Usando uma fonte de 5 V, é preciso reduzir a tensão para 3,3 V, podendo
fazer isso com um regulador de tensão LD1117V33, que é conectado ao VCC
do ESP.
• A tensão de saída 3,3V é conectado ao LV do conversor;
• O sinal de saída do ESP (GIPO) vai ser conectado a LV1 (lado de baixa) do
conversor;
• O GND do conversor e do ESP são ligados ao GND da fonte;
• Para se controlar uma lâmpada usando um relé, é necessário conectar o HV1
(lado de alta) ao pino de sinal do Relé, pois ele é alimentado com 5V.
• A lâmpada tem que estar conectada ao contato normal aberto do relé, e para
ser acionada, tem que ser enviado um sinal Low.
Figura 3.8: Conversor de nível lógico.
Na gura 3.9 é mostrado o esquema de ligação para o modo execução.
27
Figura 3.9: Esquema de ligação para o modo Execução.
3.2 Funções de programação
Para a implementação e execução do projeto, foram utilizados códigos (em anexo
A.2, A.4 e A.5) com algumas funções que permitiram o funcionamento do programa.
Nas subseções a seguir são descritas algumas destas aplicações.
3.2.1 Criando uma rede Wi
Para criar uma rede Wi com o ESP, foram utilizados os seguintes comandos:
• IPAddress(address): Dene o endereço do IP da rede que você deseja criar
ou acessar.
Parâmetro: address - representado por uma lista de 4 bytes, cuja deli-
mitação é feita por vírgulas.
Retorno: Nenhum
• WiFi .cong (ip, dns, gateway, subnet): Dene a conguração de um
endereço de IP xo, com alterações de endereços DNS, gateway e máscara de
sub-rede.
Parâmetro: ip - Endereço do IP com 4 bytes;
dns - Endereço do servidor DNS;
28
gateway - Endereço do IP do roteador da rede Wi;
subnet - Endereço da máscara da sub-rede da rede WiFi.
Retorno:: Nenhum.
• WiFi.begin (ssid, pass): Este comando inicializa as congurações da bibli-
oteca Wi.
Parâmetro: ssid - Nome da rede WiFi que desejamos ter acesso.
pass - senha da rede WiFi a qual se deseja acessar
Retorno:: WL_CONNECTED - quando está conectado
WL_IDLE_STATUS - quando não está conectado.
• WiFiServer server(port): Inicia um servidor na porta referida.
Parâmetro: port - Porta do servidor
Retorno: Nenhum
• WiFiClient(): Cria um cliente que consegue se conectar a um endereço de
IP e porta da rede, que no caso se refere ao do ESP.
Parâmetro: Nenhum
Retorno: Nenhum
• client.readStringUntil(terminator): Comando que lê os caracteres de uma
string vinda do browser, terminando no caractere especicado.
Parâmetro:terminator - Caractere no qual termina a leitura;
Retorno: Retorna a cadeia de caracteres lidos da string.
• cliente.ush (): Comando para aguardar que todos os caracteres na string
tenham sido enviados.
Parâmetro: Nenhum
Retorno: Nenhum
• available(): Recebe o número de bytes disponíveis para leitura na porta serial.
Parâmetro: Nenhum;
Retorno: número de bytes disponíveis para leitura.
• Void Loop(): É uma função que executa um loop consecutivamente, contro-
lando a placa do Arduino.
• Void setup(): É uma função usada para iniciar variáveis e modos dos pinos
que é executada apenas uma vez.
29
3.2.2 Criando uma página em HTML
A interface escolhida foi uma página web criada pelo próprio microcontrolador. Ela
pode ser acessada pelo usuário a m de monitorar e controlar a carga. Para isso, ela
foi desenvolvida em HTML. O código HTML é interpretado toda vez que acessamos
uma página web, exibindo textos, botões, entre outros. Para criar a página em
HTML é preciso escrever no corpo de uma variável string, os comandos (tags) para
a criação do código (em anexo A.5). A seguir estão especicados algumas tags
usadas:
• < !DOCTYPE>: Indica qual versão de linguagem será usada.
• <html>... </html>: Entre as tags é escrito no escopo o código HTML.
• <head> </head>: Abertura e fechamento que envolve o cabeçalho de um
texto em HTML
• <title> </title>: Onde é inserido o título do documento.
• <a> </a>: Insere um link incluindo atributos como:
href : O URL do documento vinculado.
mailto: O email vinculado.
htpp: link do URL vinculado.
• <hn> </nh>: Onde é inserido o texto do cabeçalho.
• <button> </button>: É inserido um botão que interage com o usuário,
incluindo atributos como:
name: nome do botão que é enviado com os dados.
3.3 Enviando e Recebendo sinais Infravermelhos
Para esta função, foi utilizado o ESP NodeMCU. Para enviar e receber sinais in-
fravermelho, podemos usar os códigos da própria biblioteca encontrada no site do
software [25], em [26] e em [27]. Os Exemplos dessa biblioteca IRrecvDemo e IR-
sendDemo, possuem os códigos necessários (em anexo A.1) .
Para copiarmos os sinais de um controle remoto como da televisão, ar condicio-
nado, entre outros, é necessário utilizar um sensor infravermelho de 38 kHz. Com
isso, será exibido no serial monitor da IDE do Arduino, um array com os valores do
sinal, que serão os valores a serem enviados pelo emissor infravermelho. O esquema
de conexão é mostrado na gura 3.10.
30
Figura 3.10: Circuito com a conexão do receptor IR ao NodeMCU.
O receptor deve ser conectado no pino GPIO 14 (D5) no módulo NodeMCU.
Para enviar sinais infravermelhos é utilizado um LED emissor 940 nm. Ele
é conectado a porta de 3.3 V junto com o pino D2. É necessário vericar se a
polaridade do LED está correta. Não se pode conectar ele diretamente, é preciso de
um resistor de pelo menos 220 Ω. O esquema de conexão é mostrado na gura 3.11.
Figura 3.11: Circuito com a conexão do emissor IR ao NodeMCU.
31
3.4 Acionamento de cargas
O acionamento da carga se dá pelo uso do relé. No projeto foi utilizado o módulo
relé SRD-05VDC-SL-C que já possui integrado todo o circuito necessário utilizado
para o acionamento da carga sem causar danos ao microcontrolador. O relé usa a
alimentação de 5 V fornecida do próprio microcontrolador ou de outra fonte de 5 V.
Na gura 3.12 é representado o acionamento de uma carga. A tensão de fase
de uma fonte AC é conectada ao terminal comum do relé, em seguida o terminal
normalmente aberto é conectado ao terminal positivo da lâmpada (neste caso não
tem polarização, não faria diferença se fosse conectado ao contrário), enquanto o
outro terminal é conectado ao outro terminal (neutro) da fonte AC. Foi escolhido o
terminal normalmente aberto, ou seja, a lâmpada é sempre acionada quando o relé
recebe um sinal do microcontrolador. O relé recebe o sinal de uma porta digital do
microcontrolador.
Figura 3.12: Circuito com a conexão para o acionamento da carga com relé.
Porém, utilizando um interruptor three way, podemos acionar a carga tanto
pelo microcontrolador, como pelo interruptor. O esquemático com as ligações está
representado na gura 3.13.
32
Figura 3.13: Circuito com a conexão para o acionamento da carga com o interruptor.
O interruptor three way possui três contatos. O comum, o normalmente aberto e
o normalmente fechado. O comum do interruptor é conectado à lâmpada, enquanto
os outros dois contatos ligados aos contatos normalmente aberto e fechado do relé.
O contato comum do relé é ligado a fase de tensão da fonte e o neutro da alimentação
conectado ao outro terminal da lâmpada.
Porém, é preciso saber o estado da lâmpada. Para identicar o estado da lâm-
pada, pode ser colocado em paralelo um sensor de tensão. O sensor é capaz de
detectar a tensão alternada em um circuito. Também é possível detectar colocando
em série um sensor de corrente com a lâmpada. Para o sensor de tensão o circuito é
mostrado na gura 3.14. O seu sinal é enviado à porta analógica A0 do NodeMCU.
33
Figura 3.14: Circuito com a conexão para o acionamento da carga com o interruptor
e sensor de tensão.
No entanto, na gura 3.14 é representada uma conexão generalizada, em que é
necessário saber as características técnicas do sensor a ser utilizado. Para um sensor
de tensão com alimentação de 5 V, como sensor P8 da GBK, é necessário fazer um
divisor de tensão na saída do sinal do sensor, para depois ser conectado a porta
analógica do NodeMCU.
Para o sensor de corrente o circuito é mostrado na gura 3.15. O seu sinal é
enviado a porta analógica A0 do NodeMCU.
Figura 3.15: Circuito com a conexão para o acionamento da carga com o interruptor
e sensor de corrente.
Na gura 3.15 também é representada uma conexão generalizada. Para um
34
sensor de corrente com alimentação de 5 V, como ACS 712 20 A, é necessário fazer
um divisor de tensão na saída do sinal do sensor, para depois ser conectado a porta
analógica do NodeMCU.
3.5 Leitura da corrente
Para realizar a leitura da corrente no dispositivo, foi utilizado o módulo de sensor
ACS 712 20 A e módulo NodeMCU. Esse sensor é inserido em série. Quando a
corrente é máxima (20 A) ele mede 4,5 V, quando é mínima (-20 A) ele mede 0,5
V. Para esse sensor, o fator de sensitividade é 100 mV/A. A leitura da corrente se
dá pela porta analógica do NodeMCU, com uma resolução de 10 bits, com valores
entre 0 e 1023.
Entretanto, o NodeMCU é alimentado por uma tensão de 3,3 V, enquanto o
sensor é alimentado por uma tensão de 5 V e possui uma saída até 4,5 V. A porta
analógica do NodeMCU pode receber um sinal ente 0 e 3,3 V, que é convertido
através de um conversor A/D interno para uma tensão ente 0 e 1 V. Então é preciso
fazer um divisor de tensão com objetivo de obter um sinal de entrada menor e
proporcional ao emitido pelo sensor.
De acordo com a gura 2.3, mostrada na seção 2.1.4 , o Vs é 5 V e o Vo é 3,3
V e podemos obter a relação dos resistores R1 e R2, demonstrada na equação 3.1:
Vo = VsR2
R1 +R2
5 = 3.3R2
R1 +R2
R2 = 1, 941R1 ' 2×R1 (3.1)
Neste projeto, foram utilizados três resistores de 4, 7 kΩ para o divisor de tensão.
Como se deseja uma tensão de saída proporcional a uma entrada de até 5 V, o sinal
vindo do sensor é colocado na saída de tensão dos três resistores 4, 7k Ω em série.
A entrada da porta analógica do NodeMCU é ligada ao mesmo ponto de dois
resistores em série. Entretanto, esses valores podem ser alterados, precisando ser
ajustados de acordo com a leitura na porta analógica dos bits recebidos. Com o
sensor ligado e não medindo corrente, o sinal emitido pelo sensor deverá ser de 2,5
V, que representa uma corrente de 0 A. A porta analógica irá ler esse sinal vindo
do sensor, sendo o ideal uma leitura com o valor de 512 bits. Na gura 3.16 está
representado como será a ligação entre o sensor e o NodeMCU.
Como ele vai ser inserido em um circuito com corrente alternada, a leitura que
será tomada é uma função senoidal de mesma frequência com a corrente alternada.
35
o Número de bits lido será proporcional a tensão enviada pelo sensor, sendo esse
valor convertido em corrente pelo fator sensitividade de 100 mV/A. Dessa forma, é
possível calcular o valor RMS da corrente através dos pontos coletados, conforme
demonstrado na seção 2.1.6. No anexo A.3, está o código de como obter a leitura
em RMS da corrente.
Figura 3.16: Circuito com a conexão do sensor ACS 712 ao NodeMCU.
O esquemático completo do projeto implementado é mostrado na gura 3.17.
Nele estão combinados os métodos para envio de sinal infravermelho, acionamento
de cargas e leitura da corrente, descritos nas seções anteriores.
36
Figura 3.17: Esquemático do projeto implementado.
37
Capítulo 4
Resultados
Como resultado, a montagem do protótipo implementado representado na gura3.17
é mostrada na gura 4.1.
Figura 4.1: Foto do protótipo montado.
O protótipo contém um receptor para conexão com alguma carga, uma tomada
para ser conectada à rede AC, um módulo relé, o NodeMCU, um interruptor three
way, o sensor ACS e uma fonte 5 VCC. O circuito eletrônico é ligado apenas pela
fonte de 5 V.
A página em HTML, que o usuário pode acessar estando ele conectado à mesma
rede WiFi que o microcontrolador ESP, está representada na gura 4.2, podendo ser
acessado por qualquer dispositivo como um computador ou celular.
38
Figura 4.2: Página em HTML hospedada no servidor do ESP.
A página contém três itens de controle, um para a lâmpada (no caso represen-
tando uma carga), onde é possível visualizar a leitura da corrente da mesma, além
do status de ON e OFF, possibilitando ao usuário saber se a carga foi desligada
ou ligada manualmente ou pela página. Os outros dois itens referem-se a comandos
pelo emissor infravermelho, permitindo que o usuário ligue ou desligue aparelhos
com emissor infravermelho como uma televisão ou um ar condicionado.
Nela está representado apenas um esboço de interface, podendo ser aperfeiçoada.
A página atualiza os valores a cada 10 segundos, porém toda vez que tem alguma
atualização na página como um comando a ser enviado para desligar ou ligar a carga,
a página se atualiza.
Como testes, foram utilizadas uma lâmpada incandescente de 60 W e uma pran-
cha de cabelo de 50 W para representar a carga a ser controlada pelo relé. Para
o sensor e emissor de infravermelho, foram utilizados um ar condicionado e uma
televisão.
4.1 Teste: Infravermelho
Como citado anteriormente, para testar o sensor e emissor infravermelho, foram
utilizados um ar condicionado e uma televisão.
Para capturar o sinal infravermelho e o enviar, foi montado o circuito conforme
explicado na seção 3.3. Feito isto, foi possível acionar estes aparelhos, por meio
dos botões TV LIGA / DESLIGA e AR CONDICIONADO LIGA / DESLIGA
encontrados na página web desenvolvida (gura 4.2).
39
4.2 Teste: Lâmpada incandescente e prancha de
cabelo
Uma lâmpada incandescente foi adicionada no terminal receptor, como mostrado na
gura 4.1. A lâmpada pode ser ligada ou desligada pelo botão LIGA / DESLIGA
da página criada pelo microcontrolador ou pelo interruptor three way do protótipo.
Na gura 4.3, está a leitura realizada inicialmente pelo sensor ACS que foi envi-
ada à página, indicando 0,45 A.
Figura 4.3: Leitura de corrente pelo sensor ACS visualizada na página, nos primeiros
instantes, carga: lâmpada.
Como vericação, foi utilizado um alicate amperímetro digital modelo MT87, na
escala 20 A, para a comparação com o resultado obtido. Na gura 4.4, está a leitura
feita pelo instrumento para a mesma carga de uma lâmpada, indicando 0,40 A.
40
Figura 4.4: Leitura de corrente pelo alicate amperímetro, carga: lâmpada.
Foi observado que nos instantes iniciais, as leituras divergiam moderadamente.
Mas com o passar de alguns segundos, os resultados se aproximaram. Na gura 4.5,
está a leitura do sensor ACS após alguns instantes, apontando 0,41 A.
Figura 4.5: Leitura de corrente pelo sensor ACS visualizada na página, após alguns
segundos, carga: lâmpada.
Depois foi adicionada a prancha de cabelo com a lâmpada totalizando uma carga
de 110 W. Nos instantes inicias, foi observada uma variação acentuada de leitura
de corrente feita no alicate amperímetro e também na leitura recebida pelo sensor
de corrente. As leituras também se distanciaram inicialmente. Na gura 4.6, está a
leitura realizada pelo sensor ACS, indicando 1,10 A.
41
Figura 4.6: Leitura de corrente pelo sensor ACS visualizada na página, nos primeiros
instantes, carga: lâmpada e prancha.
E na gura 4.7, está a leitura realizada pelo alicate amperímetro, com o valor de
1,02 A.
Figura 4.7: Leitura de corrente pelo alicate amperímetro, nos primeiros instantes,
carga: lâmpada e prancha.
Porém, após alguns segundos, os valores lidos tanto pelo sensor e pelo amperí-
metro se aproximaram, diminuindo a diferença.
Na gura 4.8 está a leitura realizada pelo sensor ACS, indicando 0,86 A :
42
Figura 4.8: Leitura de corrente pelo sensor ACS visualizada na página, após alguns
segundos, carga: lâmpada e prancha.
E na gura 4.9, está a leitura realizada pelo amperímetro, com 0,82 A.
Figura 4.9: Leitura de corrente pelo alicate amperímetro, após alguns segundos,
carga: lâmpada e prancha.
Na tabela 4.1, está um resumo dos resultados obtidos dos testes realizados.
43
Tabela 4.1: Resultados dos testes realizados da leitura de corrente pelo sensor ACS
e pelo alicate amperímetro.
CargaLeitura da corrente
pelo sensor ACS (A)
Leitura da corrente
pelo amperímetro (A)situação
Lâmpada 0,45 0,40 instantes iniciais
Lâmpada 0,41 0,40 após alguns segundos
Lâmpada
e prancha1,10 1,02 instantes iniciais
Lâmpada
e prancha0,86 0,82 após alguns segundos
4.3 Aquisição de dados dos testes simulados
Para a aquisição de dados, foi desenvolvido um código (em anexo em A.2, A.4 e A.5)
que envia as leituras realizadas pelo sensor durante um intervalo, por meio de uma
requisição HTTP, para uma página hospedada nos serviços da Google, que é um
banco de dados online e gratuito. Os dados foram armazenados em uma planilha,
podendo ser exportados para qualquer outro software. Na gura 4.10, está a planilha
como banco de dados dos testes realizados.
Figura 4.10: Planilha de resultados.
A primeira coluna Carimbo de data/hora, contém as informações de datas
e horas preenchidas automaticamente pelo sistema da Google, de acordo com as
informações recebidas pelo ESP. Na segunda coluna Corrente (A)/ tempo decorrido
44
(s), contém as informações recebidas pelo ESP, com a corrente lida pelo sensor e o
tempo decorrido desde o programa inicializado.
Na gura 4.11, está o gráco da corrente medida pelo sensor pelo tempo decor-
rido. Durante a simulação, o circuito começa desligado. Ao decorrer do tempo é
ligada a carga somente com a lâmpada e depois o circuito é desligado novamente.
Passados alguns segundos, é ligado o circuito com a lâmpada e prancha como carga.
Novamente o circuito é desligado e, posteriormente, ligado somente com a lâmpada.
No gráco é apresentado um valor de corrente diferente de zero para o circuito des-
ligado, que pode está associado a uma má conexão entre os contatos do sensor e do
microcontrolador.
Figura 4.11: Gráco da corrente medida pelo sensor pelo tempo decorrido.
Como nas instalações residenciais é considerara a tensão de 127 V, podemos
obter o gráco de potência ativa pelo tempo decorrido durante a simulação (gura
4.12), através da equação 4.1.
P = v × i = 127× i (4.1)
45
Figura 4.12: Gráco da potência da carga pelo tempo decorrido.
Na gura 4.12, área sob a curva do gráco da potência por tempo, representa a
energia consumida durante o tempo decorrido na simulação. Utilizando o software
MATLAB foi possível calcular a área da curva e com isso obter a energia consumida
em joules (J). O resultado está na gura 4.13.
Figura 4.13: Gráco da energia consumida pelo tempo decorrido.
46
O consumo de energia durante o tempo de simulação foi 31200,09 J.
É observado que nos primeiros instantes, em que a energia é zero, o circuito
está desligado. No instante em que a há o consumo de energia, correspondendo ao
circuito ligado somente com a Lâmpada, nota-se uma taxa de variação de energia
por tempo aparentemente constante. No instante em que o circuito é desligado a
energia não se altera. Depois com o circuito ligado com a lâmpada e prancha, a
energia cresce com uma taxa de variação maior do que a anterior.
Um Quilowatt-hora [kWh] corresponde a 3.600.000 joules [J]. Com isso, a energia
consumida foi 0,0086666916667 kWh.
A tarifa de energia do mês de agosto de 2018 da empresa de distribuição Enel
foi de 0,87295 R$/kWh. Dessa forma, durante o período de simulação foram gastos
R$ 0,0075656.
4.4 Diculdades apresentadas
Uma das diculdades encontradas é a carência de documentação em relação ao
microcontrolador ESP8266, por ser relativamente novo no mercado em relação aos
outros.
Um outro obstáculo foi a utilização de sensores. A maioria dos sensores oferecidos
no mercado possui uma alimentação de 5 V e um sinal emitido de até 5 V, o que
diculta a leitura do ESP pelas suas portas, já que a sua tensão máxima de entrada
e saída é de 1 V para o ESP8266-01 e 3,3 V para o ESP NodeMCU. Foram feitas
adaptações necessárias para realizar a leitura e as emissões de sinais de acordo com
o esperado.
Foi observado, também, que as respostas aos comandos enviados pela página do
microcontrolador não são instantâneas. Isso pode estar relacionado a uma demora
na comunicação entre o ESP e a rede WiFi, como também, à necessidade de um
aperfeiçoamento no código implementado, resultando em uma redução do espaço
ocupado na memória do microcontrolador, como consequência, tornando o programa
mais leve e rápido.
47
Capítulo 5
Conclusões
O projeto desenvolvido apresentou resultados satisfatórios em relação a sua proposta
inicial. O protótipo consegue controlar uma carga, ler a sua corrente em RMS por
uma página web em que o usuário possa acessar via uma rede wireless, enviar os
seus dados para um servidor e ainda acionar aparelhos eletrodomésticos com sinais
infravermelho.
Foram testados, como exemplo de carga, uma lâmpada incandescente e uma
prancha de cabelo, de forma a controlar o seu acionamento e monitorar a sua cor-
rente. No controle do acionamento, os testes responderam dentro do esperado,
apresentando apenas pequenos delays entre os comandos e suas execuções.
Na leitura da corrente, os valores apresentados pelo monitor estavam dentro do
esperado comparados a um multímetro digital, apresentando pequenas diferenças
em casas decimais.
Por todos estes aspectos, dentro das limitações apresentadas, como a falta de
documentação do ESP8266, por ser um microcontrolador relativamente novo no
mercado e a utilização de componentes não tão precisos para a sua execução, os
resultados obtidos foram satisfatórios.
5.1 Custos de montagem
Um dos objetivos nais do projeto era o baixo custo de produção, o qual foi atin-
gido. Na tabela 5.1 estão os custos dos componentes que foram necessários para a
montagem. Estes componentes foram adquiridos por sites brasileiros podendo ser
encontrados mais baratos se comprados no exterior.
48
Tabela 5.1: Custos dos componentes para a montagem do projeto.Compontente Custo (R$)
ESP8266-01 14,00
ESP NodeMCU 28,00
Sensor ACS 20 A 12,00
Sensor P8 GBK 12,00
Relé 14,50
Interruptor three way 7,00
Fonte 5 VCC 6,00
Conversor de nível lógico 7,50
Fios e resistores 3,00
Protoboad 12,00
Sensor IR 7,00
Emissor IR 6,00
Total 117,00
O custo do material utilizado foi aproximadamente de R$ 117,00, sendo que
nem todos os componentes citados na tabela são necessários. Podendo optar entre
o ESP8266-01 ou ESP NodeMCU de acordo com a necessidade e elaboração do
projeto. Comparado a outros produtos do mercado de automação residencial, como
o Google Home [28], que está numa faixa de R$1.000,00, o protótipo apresentou um
baixo custo, além de oferecer mais funcionalidades como o controle e monitoramento
de cargas.
5.2 Sugestões de trabalhos futuros
De uma forma geral, o objetivo do projeto foi alcançado. Porém, o protótipo pode
ser aperfeiçoado, com recomendações e sugestões para trabalhos futuros.
Uma recomendação é a troca do microcontrolador pelo ESP-32 (gura 5.1), que é
um modelo mais avançado do ESP8266 com alto poder de processamento. Também
é recomendado o uso de melhores transdutores, que tornaria o projeto mais eciente
e conável. No entanto, o uso de melhores componentes o tornaria mais custoso no
desenvolvimento.
49
Figura 5.1: Foto do ESP - 32.
Outras tecnologias e aplicações em relação a área de automação residencial e
IoT podem ser implementas com o uso do ESP8266, dessa forma, o projeto pode ser
expandido. Uma sugestão é o desenvolvimento de um aplicativo de celular no qual
possa ser acessado com a autenticação do usuário por senha, tornando o sistema
mais seguro.
A utilização de mais sensores integrados ao protótipo o tornaria um projeto mais
completo. Uma proposta é o uso de sensor de gás de cozinha como demonstrado
na gura 5.2, podendo detectar o gás GLP e com isso proporcionar um projeto de
automação residencial mais seguro.
Figura 5.2: Foto do sensor de gás de cozinha.
Também é recomendável que o circuito eletrônico do projeto seja desenvolvido
em placa de circuito impresso (PCB), sem a utilização de protoboard e os. Com
isso, o protótipo reduziria suas dimensões.
Em visto disto, como a área de automação residencial e IoT possuem diversas
aplicações, existem muitas recomendações para este projeto.
50
Referências Bibliográcas
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[2] SANTOS, B. P., SILVA, L., CELES, C., et al. Internet das coisas: da teoria a
prática, Minicursos SBRC-Simpósio Brasileiro de Redes de Computado-
res e Sistemas Distribudos, 2016.
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br/a-internet-das-coisas-no-setor-eletrico/>. Acessado em ju-
lho de 2018.
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DE AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS, v. 8, 2009.
[5] Manual de tarifação da energia elétrica. Disponível em: <http:
//www.mme.gov.br/documents/10584/1985241/Manual%20de%
20Tarif%20En%20El%20-%20Procel_EPP%20-%20Agosto-2011.pdf>.
Acessado em agosto de 2018.
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[7] SADIKU, C. K. A. E. M. N. Fundamentos de Circuitos Elétricos.
[8] RIEDEL, J. W. N. . S. A. Circuitos elétricos. 2008.
[9] CREDER, H. Instalações elétricas.
[10] WILLIAM H. HAYT. Eletromagnetismo. p.162.
[11] CARÇÃO, J. F. D. C. Tarifas de energia elétrica no Brasil. Tese de Doutorado,
Universidade de São Paulo, 2011.
[12] KUROSE, J. F., ROSS, K. W. Redes de Computadores e a Internet, Uma
nova, 2006.
[13] GALLO, M. A., HANCOCK, W. S., DA SILVA, F. S. C., et al. Comunicação
entre computadores e tecnologias de rede. Pioneira Thomson Learning,
2003.
51
[14] Como funciona a tecnologia Wireless. Disponível
em: <https://www.oficinadanet.com.br/post/
2961-o-que-e-wireless-e-como-funciona>. Acessado em julho
de 2018.
[15] Datasheet ESP8266. Disponível em: <https://www.espressif.com/sites/
default/files/documentation/0a-esp8266ex_datasheet_en.pdf>.
[16] LUA. Disponível em: <https://www.lua.org/portugues.html>.
[17] Arduino. Disponível em: <https://www.arduino.cc/>.
[18] GBK Robotics. Disponível em: <https://www.gbkrobotics.com.br>.
[19] Datasheet TIL32. Disponível em: <http://www.datasheetspdf.com/pdf/
615591/ETC/TIL32/1>.
[20] Datasheet Acs712 20A. Disponível em: <http://pdf1.alldatasheet.com/
datasheet-pdf/view/174118/ALLEGRO/ACS712ELCTR-20A-T.html>.
[21] Datasheet phototransistor 4N27. Disponível em: <http://pdf.
datasheetcatalog.com/datasheet/QT/4N27.pdf>.
[22] Datasheet SRD-05VDC-SL-C. . Disponível em: <http:
//www.circuitbasics.com/wp-content/uploads/2015/11/
SRD-05VDC-SL-C-Datasheet.pdf>. Acessado em julho de 2018.
[23] Relé SRD-05VDC-SL-C. . Disponível em: <http://www.circuitbasics.
com/setting-up-a-5v-relay-on-the-arduino/>. Acessado em julho
de 2018.
[24] Fritzing. Disponível em: <http://fritzing.org/home/>.
[25] Biblioteca IR Remote. Disponível em: <https://www.arduinolibraries.
info/libraries/i-rremote>.
[26] IRremoteESP8266. Disponível em: <https://github.com/markszabo/
IRremoteESP8266>.
[27] sinal infravermelho. Disponível em: <https://www.analysir.com/blog/
2014/03/19/air-conditioners-problems-recording-long-infrared-remote-control-signals-arduino>.
[28] Google Home. Disponível em: <https://www.americanas.com.br/
produto/22506482/google-home-cor-branca-pronta-entrega>.
Acessado em setembro de 2018.
52
Apêndice A
Códigos
A.1 Código - Infravermelho
A.1.1 Clonando o sinal infravermelho
Para clonar sinais de televisão:
#ifndef UNIT_TEST
#include <Arduino.h>
#endif
#include <IRremoteESP8266.h>
#include <IRrecv.h>
#include <IRutils.h>
// An IR detector/demodulator is connected to GPIO pin 14(D5 on a NodeMCU
// board).
uint16_t RECV_PIN = 14;
IRrecv irrecv(RECV_PIN);
decode_results results;
void setup()
Serial.begin(115200);
irrecv.enableIRIn(); // Start the receiver
while (!Serial) // Wait for the serial connection to be establised.
delay(50);
Serial.println();
Serial.print("IRrecvDemo is now running and waiting for IR message on Pin ");
Serial.println(RECV_PIN);
53
void loop()
if (irrecv.decode(&results))
// print() & println() can't handle printing long longs. (uint64_t)
serialPrintUint64(results.value, HEX);
Serial.println("");
irrecv.resume(); // Receive the next value
delay(100);
Para clonar sinais de ar condicionado:
#define maxLen 800
volatile unsigned int irBuffer[maxLen];
//stores timings - volatile because changed by ISR
volatile unsigned int x = 0;
//Pointer thru irBuffer - volatile because changed by ISR
void setup()
Serial.begin(115200); //change BAUD rate as required
attachInterrupt(0, rxIR_Interrupt_Handler, CHANGE);
//set up ISR for receiving IR signal
void loop()
// put your main code here, to run repeatedly:
Serial.println(F("Press the button on the remote now - once only"));
delay(5000); // pause 5 secs
if (x) //if a signal is captured
digitalWrite(LEDPIN, HIGH);//visual indicator that signal received
Serial.println();
Serial.print(F("Raw: (")); //dump raw header format - for library
Serial.print((x - 1));
Serial.print(F(") "));
54
detachInterrupt(0);//stop interrupts & capture until finshed here
for (int i = 1; i < x; i++) //now dump the times
if (!(i & 0x1)) Serial.print(F("-"));
Serial.print(irBuffer[i] - irBuffer[i - 1]);
Serial.print(F(", "));
x = 0;
Serial.println();
Serial.println();
digitalWrite(LEDPIN, LOW);//end of visual indicator, for this time
attachInterrupt(0, rxIR_Interrupt_Handler, CHANGE);
//re-enable ISR for receiving IR signal
void rxIR_Interrupt_Handler()
if (x > maxLen) return; //ignore if irBuffer is already full
irBuffer[x++] = micros();
//just continually record the time-stamp of signal transitions
A.1.2 Enviando o sinal infravermelho
#include <IRremoteESP8266.h>
#include <IRsend.h>
#define IR_LED 4 // ESP8266 GPIO pin to use. Recommended: 4 (D2).
IRsend irsend(IR_LED); // Set the GPIO to be used to sending the message.
// Example of data captured by IRrecvDumpV2.ino
uint16_t rawData[67] = 9000, 4500, 650, 550, 650, 1650, 600, 550, 650, 550,
600, 1650, 650, 550, 600, 1650, 650, 1650, 650, 1650,
600, 550, 650, 1650, 650, 1650, 650, 550, 600, 1650,
650, 1650, 650, 550, 650, 550, 650, 1650, 650, 550,
650, 550, 650, 550, 600, 550, 650, 550, 650, 550,
650, 1650, 600, 550, 650, 1650, 650, 1650, 650, 1650,
55
650, 1650, 650, 1650, 650, 1650, 600;
void setup()
irsend.begin();
Serial.begin(115200, SERIAL_8N1, SERIAL_TX_ONLY);
void loop()
Serial.println("NEC");
irsend.sendNEC(0x00FFE01FUL, 32);
delay(2000);
Serial.println("a rawData capture from IRrecvDumpV2");
irsend.sendRaw(rawData, 67, 38); // Send a raw data capture at 38kHz.
delay(2000);
A.2 Código - Declaração de variáveis e bibliotecas
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <IRremoteESP8266.h>
#include <IRsend.h>
int pinoSensor =A0; // porta que vai ler a corrente
int sensorValue_aux = 0;
float valorSensor = 0;
float valorCorrente = 0;
float voltsporUnidade = 5/1023;// 5%1023
//0;100 para o módulo de 20A, 0.66 para o módulo de 30A, 0.185 para o módulo de 5A
float sensibilidade = 0.100;
float AmpsRMS = 0;
56
// variáveis auxiliar para verificar as requisições
String statuss ="0";
boolean b=1;
boolean bb=1;
//Nome da sua rede Wifi
const char* ssid = "*****";
//Senha da rede
const char* password = "*****";
//IP do ESP (para voce acessar pelo browser)
IPAddress ip(192, 168, 1,50);
//IP do roteador da sua rede wifi
IPAddress gateway(192, 168, 1, 1);
//Mascara de rede da sua rede wifi
IPAddress subnet(255, 255, 255, 0);
//Criando o servidor web na porta 80
WiFiServer server(80);
WiFiClientSecure client2;//Cria um cliente seguro (para ter acesso ao HTTPS)
String endereco = "GET /forms/d/e/1FAIpQLSe2wKep3_
bhEJRUAlLUgz0BnsJYJ7aLhOgRCchnmj1IYrJkGw/formResponse?ifq&entry.1472845943=";
// Foi criado um formulário google associado a uma planilha,
// com isso o endereço do formulário com sua entrada
// está na variável acima
#define IR_LED 4 // ESP8266 GPIO pin to use. Recommended: 4 (D2).
IRsend irsend(IR_LED); // Set the GPIO to be used to sending the message.
// sinal do ar condicionado para ligar
// sinal do ar condicionado para ligar
57
uint16_t rawData[199] = 4404, 4364, 548, 1640, 544, 552, 548, 1640, 544,
1644, 544, 552, 548, 548, 548, 1640, 548, 552, 548, 548, 544, 1640, 548,
552, 544, 552, 544, 1644, 544, 1640, 548, 552, 544, 1644, 548, 548, 544,
552, 548, 548, 548, 1640, 544, 1644, 544, 1640, 548, 1640, 544, 1644,
548, 1636, 548, 1640, 548, 1640, 544, 552, 544, 556, 544, 552, 548, 548,
544, 556, 544, 552, 544, 552, 544, 1640, 548, 552, 544, 1640, 548, 552,
544, 552, 544, 556, 544, 1640, 544, 1640, 548, 552, 544, 1640, 544, 552,
548, 1640, 544, 1640, 548, 1640, 548, 5220, 4404, 4368, 548, 1640, 544,
552, 544, 1644, 544, 1640, 544, 552, 548, 552, 544, 1640, 548, 552, 548,
544, 548, 1640, 544, 552, 544, 552, 548, 1640, 544, 1640, 548, 552, 544,
1640, 548, 548, 548, 548, 548, 552, 544, 1640, 548, 1616, 568, 1640, 544,
1640, 548, 1640, 548, 1636, 548, 1640, 544, 1640, 548, 548, 548, 552, 544,
552, 544, 552, 548, 552, 544, 552, 544, 552, 544, 1640, 548, 548, 548,
1640, 544, 552, 544, 552, 548, 552, 544, 1636, 548, 1640, 544, 552, 548,
1636, 548, 552, 544, 1640, 544, 1640, 548, 1640, 548;
// sinal do ar condicionado para desligar
uint16_t rawData2[199]= 4428, 4364, 544, 1644, 544, 552, 544, 1644, 544,
1640, 548, 552, 544, 552, 544, 1640, 548, 552, 548, 548, 548, 1640, 544,
552, 548, 552, 544, 1640, 548, 1640, 544, 552, 548, 1640, 548, 548, 548,
1640, 544, 1640, 548, 1640, 544, 1640, 548, 552, 544, 1640, 548, 1640, 548,
1640, 544, 552, 544, 552, 548, 552, 544, 552, 544, 1640, 548, 552, 544, 552,
548, 1636, 548, 1640, 548, 1640, 544, 552, 548, 548, 548, 552, 544, 552, 544,
556, 544, 552, 544, 552, 544, 552, 544, 1640, 548, 1640, 548, 1640, 544, 1640,
548, 1640, 544, 5224, 4400, 4376, 544, 1640, 548, 552, 544, 1640, 548, 1640,
544, 552, 548, 548, 548, 1640, 544, 556, 544, 548, 548, 1640, 544, 552, 548,
552, 544, 1640, 544, 1644, 544, 552, 544, 1644, 548, 548, 544, 1640, 548, 1640,
544, 1644, 544, 1640, 548, 548, 548, 1640, 548, 1640, 548, 1636, 548, 548, 548,
552, 544, 552, 544, 552, 548, 1640, 544, 552, 548, 552, 544, 1640, 544, 1640,
548, 1640, 544, 552, 548, 548, 548, 552, 544, 552, 544, 556, 544, 548, 548,
552, 544, 552, 544, 1640, 548, 1636, 548, 1640, 548, 1636, 548, 1640, 548;
A.3 Código - Leitura da corrente
float getVPP()
for(int i=1000; i>0; i--)
58
// le o sensor na pino analogico A0 e ajusta o valor lido
// ja que a saída do sensor é (1023)vcc/2 para corrente =0
sensorValue_aux = (analogRead(pinoSensor) -510);
// somam os quadrados das leituras.
valorSensor += pow(sensorValue_aux,2);
delay(1);
// finaliza o calculo da média quadratica e ajusta o valor lido para volts
valorSensor = (sqrt(valorSensor/ 10000)) * voltsporUnidade;
// calcula a corrente considerando a sensibilidade do sernsor (100 mV por amper)
valorCorrente = (valorSensor/sensibilidade);
return valorCorrente;
A.4 Código - Void setup
//Funcao que sera executada apenas ao ligar o ESP8266
void setup()
irsend.begin();
Serial.begin(115200, SERIAL_8N1, SERIAL_TX_ONLY);
//Preparando o GPIO2, que esta lidago ao LED
pinMode(pinoSensor, INPUT);
pinMode(2, OUTPUT);
digitalWrite(2, 1);
//Conectando a rede Wifi
WiFi.mode(WIFI_AP); // workaround
WiFi.mode(WIFI_AP_STA);
WiFi.begin(ssid, password);
WiFi.config(ip, gateway, subnet);
//Verificando se esta conectado,
//caso contrario, espera um pouco e verifica de novo.
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)
delay(500);
server.begin();
59
A.5 Código - Void loop
//Funcao que sera executada indefinidamente enquanto o ESP8266 estiver ligado.
void loop()
WiFiClient client = server.available();
if (!client)
return;
client.flush();
//Obtendo a requisicao vinda do browser
String req = client.readStringUntil('\r');
//enviando o comando para o relé
if (req.indexOf("led2") != -1)
if(b == 0 )
b = 1;
else if (b == 1 )
b=0;
digitalWrite(2, b);
req= "0";
//enviando o sinal do ar condicionado
if (req.indexOf("ledArC") != -1)
if(bb == 0 )
60
bb = 1;
irsend.sendRaw(rawData, 199, 38); // Send a raw data capture at 38kHz.
else if (bb == 1 )
bb=0;
irsend.sendRaw(rawData2, 199, 38); // Send a raw data capture at 38kHz.
req= "0";
//enviando o sinal da televisão
else if (req.indexOf("ledir") != -1)
irsend.sendNEC(0x00FDC03F, 32);
req= "0";
delay(100);
//obtendo o Valor RMS da corrente
AmpsRMS = getVPP();
if (AmpsRMS < 0.2)
AmpsRMS= 0;
statuss="0FF";
else
statuss="ON";
//Iniciando o buffer que ira conter a pagina HTML que sera enviada para o browser.
String buf = "";
buf += "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/html\r\n\r\n<!DOCTYPE HTML>
\r\n<html>\r\n";
61
buf += "<h1>Monitor de carga</h1>";
buf += "</h2>";
buf += "<hr size=\"1\" width=\"100%\">";
buf+= "<head> <meta http-equiv=\"refresh\" content=\"15;URL=http:
//192.168.1.50\"> </head>" ;
buf+= "<style type='text/css'>"
"body"
"padding: 35px;"
"background-color: #EEEEEE;"
""
"title"
"color:#222222;"
"font-family: sans-serif;"
""
"h1"
"color:#222222;"
"font-family: sans-serif;"
""
"p"
"color: #222222;"
"font-family: sans-serif;"
"font-size:18px;"
""
"</style>";
buf += "<p> LÂMPADA <a href=\"?function=led2\"><button>LIGA /
DESLIGA</button></a>";
buf += "<h2>corrente :";
buf +=AmpsRMS;
buf += " A";
buf += "</h2>";
buf += "<h2>Status :";
buf += statuss;
buf += "</h2>";
buf += "<hr size=\"1\" width=\"100%\">";
buf += "<p>TV <a href=\"?function=ledir\"><button>LIGA / DESLIGA</button></a>";
buf += "</h2>";
buf += "<hr size=\"1\" width=\"100%\">";
buf += "<p> Ar CONDICIONADO <a href=\"?function=ledArC\"><button>LIGA /
62
DESLIGA</button></a>";
buf += "</html>\n";
//Enviando para o browser a 'pagina' criada.
client.print(buf);
client.flush();
// enviando dados pra planilha
if (client2.connect("docs.google.com", 443) == 1)
//Tenta se conectar ao servidor do Google docs na porta 443 (HTTPS)
String toSend = endereco;
//Atribuimos a String auxiliar na nova String que sera enviada
toSend += AmpsRMS;//random(0, 501);
toSend += "//";
toSend += millis()/1000;//enviando o tempo decorrido
toSend += "&submit=Submit HTTP/1.1";
//Completamos o metodo GET para nosso formulario.
client2.println(toSend);//Enviamos o GET ao servidor-
client2.println("Host: docs.google.com");//-
client2.println();//-
client2.stop();//Encerramos a conexao com o servidor
Serial.println("Dados enviados.");//Mostra no monitor que foi enviado
else
Serial.println("Erro ao se conectar");
//Se nao for possivel conectar no servidor, ira avisar no monitor.
63
