Sistema de iluminação baseado em lâmpada LED inteligente

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D I V U L G A O C I E N T F I C A E T E C N O L G I C A D O I F P B | N 2 6

Sistema de iluminao baseado em lmpada LED inteligente

Franklin Batista Andrade[1], Larissa Pereira de Queiroz[2], Lamarks Tiburtino Campos Cavalcanti[3], Francisco Fechine Borges[4], Alexandre Fonseca DAndrea[5],

[1][email protected]; [2][email protected]; [3][email protected]; [4][email protected]; [5][email protected]. Instituto Federal de Educao, Cincia e Tecnologia da Paraba Cmpus Joo Pessoa.

RESumo

Este artigo aborda o estudo e desenvolvimento do prottipo de uma lmpada inteligente, baseada na plataforma Arduino e capaz de combinar a iluminao artificial com a natural. O controle de brilho de uma lmpada construda com LEDs (Light Emitting Diodes, ou Diodos Emissores de Luz) foi realizado por uma sada com PWM (Pulse Width Modulation, ou Modulao por Largura de Pulso) do microcontrolador ATMEGA328 da placa Arduino Uno R3, enquanto para a determinao da intensidade da iluminao natural, um sensor LDR (Light Dependent Resistor, ou Resistor Dependente de Luz) foi linearizado e caracterizado para fornecer, por meio de uma equao de ajuste de curva, os valores de iluminncia. A lmpada, quando totalmente desenvolvida, poder ser utilizada em ambientes como as salas de aula do IFPB, para reduo do consumo de energia eltrica, mantendo uma intensidade luminosa tima durante o dia.

Palavras-chave: Lmpada inteligente. Iluminao natural. Economia de energia eltrica. Linearizao.

ABSTRACT

This paper describes the study and development of the prototype of an intelligent lamp, based on the Arduino platform and able to combine artificial with natural lighting. The brightness control of a lamp built with LEDs (Light Emitting Diodes) was controlled by a PWM output (Pulse Width Modulation,) of ATMEGA328 microcontroller pin of an Arduino Uno R3 board, while that, for determining the intensity of natural light, an LDR sensor (Light Dependent Resistor) was linearized and characterized to found the curve fitting equation and the luminance values. The lamp, when fully developed, can be used in environments such as the IFPB classrooms, to reduce power consumption while maintaining optimal light intensity during the day.

Keywords: Intelligent lamp. Natural lighting. Energy saving. Linearization.

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1 Introduo

Nos dias de hoje, o correto dimensionamento dos sistemas de iluminao e o uso adequado de seus equipamentos torna-se cada vez mais importante, uma vez que o segmento de iluminao, em geral, corresponde a aproximadamente 17% do consumo total de energia eltrica do pas, sendo somente a iluminao pblica responsvel por cerca de 4% desse consumo total. A iluminao representa um dos maiores potenciais de conservao de energia e o setor que pode oferecer as respostas mais rpidas s necessidades de reduo de consumo com os menores investimentos e mais rpidos retornos (COSTA, 2006).

Atualmente, existe uma grande preocupao com a obteno de mais luz, fazendo com que os dispositivos de iluminao necessitem consumir cada vez menos energia (COSTA, 2006). O mercado brasi-leiro de iluminao est em constante mudana, uma vez que os preos da energia eltrica seguem o con-texto mundial. Por isso, a economia de energia deve ser constantemente repensada. Economizar energia tornou-se uma das maneiras mais importantes de preservar o meio ambiente.

conhecido o fato de que as lmpadas fluo-rescentes gastam menos energia do que as incan-descentes para emitir a mesma quantidade de luz (ABILUMI, 2007). No entanto, as lmpadas a LED (Light Emitting Diode, em ingls, ou Diodo Emissor de Luz) consomem proporcionalmente ainda menos que as fluorescentes. O LED um diodo semicondutor emissor de luz (ZHELUDEV, 2007) que, ao ser per-corrido por uma corrente eltrica, excitado e emite luz, com baixas perdas por calor.

Visando a uma maior economia com a insero das lmpadas a LED, esto surgindo novas possibili-dades que permitiro um melhor aproveitamento da iluminao natural. A proposta das lmpadas a LED inteligentes combinar a iluminao natural com a artificial, proporcionando um fluxo luminoso constan-te. Dessa forma, ao invs de usar toda a potncia da lmpada, a iluminao artificial seria inversamente proporcional natural, reduzindo o desperdcio energtico e financeiro, alm de contribuir para o uso sustentvel dos recursos disponveis.

As lmpadas a LED inteligentes empregam uma tcnica chamada PWM (Pulse Width Modulation, em ingls, ou Modulao por Largura de Pulso) na alimen-tao dos LEDs. Essa tcnica consiste em gerar um

sinal contnuo pulsante que faz os LEDs piscarem em uma frequncia to alta que se torna imperceptvel ao olho humano. Logo, em certas fraes de segundo, a lmpada estar desligada, poupando energia.

2 materiais e mtodos

A intensidade de iluminao, ou iluminncia, uma grandeza cuja unidade de medida mais comum o lux. Para medir a iluminncia em uma dada regio, so usados aparelhos denominados luxmetros. Essa grandeza serviu como base de referncia durante o desenvolvimento deste trabalho, e para as medies, foi utilizado um luxmetro modelo MLM 1011, da marca Minipa (Minipa do Brasil Ltda., Joinville, Santa Catarina, Brasil).

Alm do luxmetro, a plataforma Arduino tam-bm foi essencial para aquisio e tratamento dos dados, bem como para controle da sada PWM.

A interface de desenvolvimento do Arduino foi substituda pelo software MATLAB (Mathworks, Natick, MA, EUA), o que trouxe maior praticidade ao integrar uma ampla variedade de bibliotecas plataforma Arduino. Em especial, a biblioteca de aquisio de imagens possibilitou controle sobre uma cmera, permitindo fotografar as medies de inten-sidade luminosa e de tenso nos sensores (Figura 1).

Figura 1 Caixa escura, cmera, multmetro e luxmetro.

Os dados obtidos foram tabelados e inseridos no software CurveExpert (Hyams Development), ge-rando curvas de regresso e respectivas equaes, capazes de descrever matematicamente o compor-tamento caracterstico das amostras.

O sensor ligado ao Arduino foi um LDR de 5 mm de dimetro, ligado em srie com um resistor de 10k, formando um divisor de tenso, alimentado por +5,0 VDC. Entretanto, essa configurao mostrou-se desvantajosa, por gerar uma curva exponencial dos

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chapa de ao parafusada (Figura 4). Entre a chapa e o luxmetro, foi colado um molde de isopor para evitar o deslizamento do aparelho.

Figura 4 Fixao do luxmetro.

Para o ensaio, uma fonte de iluminao com-posta por um conjunto de 25 LEDs de alto brilho e 5 resistores de 47 foi montada em uma placa de circuito impresso, formando uma lmpada. Os LEDs ficaram dispostos em uma configurao srie-para-lelo na forma 5 x 5 (Figura 5). As fileiras ficaram em paralelo com a fonte de tenso de 16,6 V, exigindo a presena de um resistor em cada uma delas. Esses valores foram definidos para que fosse atingido um brilho mximo, mantendo a intensidade da corrente dentro das especificaes dos LEDs, ou seja, cerca de 25 mA.

Figura 5 Fixao da placa de LEDs.

Para posicionar o luxmetro, considerou-se que a intensidade luminosa mxima no centro da fonte de iluminao, decaindo gradativamente medida que se distancia do centro. Portanto, importante garan-tir que o centro da iluminao esteja perpendicular ao sensor do luxmetro.

valores de tenso versus intensidade luminosa, quan-do o ideal seria que o sensor produzisse um sinal de tenso linearmente relacionado com a grandeza fsica a ser medida.

Assim, foi necessrio um condicionamento de sinal para linearizar o comportamento do sensor. Esse procedimento consistiu em realizar uma srie de medies, cada uma utilizando um valor diferente de resistncia. Observou-se que, quanto menor a resistncia, maior era a linearizao, porm, em con-sequncia disso, menor era a tenso sobre o LDR. Por essa razo, a tenso de referncia de + 5 VDC foi reduzida para +1,1 VDC, utilizando-se a tenso de referncia interna do microcontrolador ATMEGA328.

Para assegurar um valor predefinido de iluminn-cia, optou-se por realizar os ensaios em um ambiente controlado (Figura 2). Para isso, o luxmetro e uma fonte de luz foram introduzidos em uma caixa de madeira, posteriormente fechada e coberta por um tecido (Figura 3).

Figura 2 Caixa escura aberta.

Figura 3 Caixa escura coberta por um tecido preto.

O sensor LDR (Light Dependent Resistor, em ingls, ou Resistor Dependente de Luz) foi preso ao luxmetro que, por sua vez, foi fixado caixa por uma

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dro de uma janela e se comunicasse com a lmpada por um emissor infravermelho.

Os sistemas de controle e de potncia dos prottipos ainda no haviam sido instalados no seu interior quando os testes foram feitos; mesmo assim, os testes de transmisso e recepo dos dados foram realizados com sucesso (Figura 8).

Figura 8 Prottipos da lmpada e do sensor/transmissor.

Na Figura 9 apresentado o primeiro prottipo da lmpada a LED inteligente, enquanto a Figura 10 d destaque ao LED de alta potncia (10 W) e ao receptor infravermelho utilizado, modelo TOP 1838b.

Figura 9 Lmpada a LED.

Figura 10 Detalhe do receptor infravermelho e do LED de alta potncia.

Figura 6 Esquema eltrico da placa de LEDs.

Porm, para que a incidncia de luz fosse pro-porcional tanto ao luxmetro quanto ao sensor LDR, seguiu-se o posicionamento ilustrado pela Figura 7.

Figura 7 Regio central da iluminao.

Concluda essa fase, foi dado incio segunda etapa do projeto: a combinao da iluminao arti-ficial produzida pelo prottipo com uma iluminao externa, que idealmente seria a luz do sol. Entretanto, pela complexidade em variar de forma homognea a iluminao natural, foi elaborado outro ensaio, que consistiu em variar o brilho de uma fonte de ilumina-o, coletar os dados de intensidade luminosa gerada por ela e, finalmente, calcular o valor da sada PWM para a lmpada LED, de modo a manter a iluminao constante no ambiente, ou seja, manter constante a soma das intensidades luminosas natural e artificial.

Para evitar que a iluminao do ambiente ou da prpria lmpada afetasse as leituras, foi idealizado um dispositivo parte, que pudesse ser fixado no vi-

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A primeira lmpada, esquerda, representa a iluminao externa (luz natural do Sol). Seu brilho foi variado entre os valores mnimo (0%) e mximo (100%) da sada PWM do Arduino. O sensor adesi-vado na janela teve como objetivo capturar a inten-sidade luminosa dessa primeira lmpada e enviar a leitura, pelo transmissor IR, para o controlador da segunda lmpada, que, ao receber a informao, de-finiu o valor necessrio de iluminncia artificial para manter constante o fluxo luminoso no alvo, represen-tado pelo luxmetro.

Figura 14 Aparato para o segundo ensaio.

Para o segundo ensaio, o aparato da Figura 14 foi mantido no interior de uma caixa, em uma sala com as luzes apagadas. A foto da Figura 15 foi obtida pela cmera comandada pelo MATLAB. Um LED bran-co serviu para iluminar os displays dos aparelhos.

Figura 15 Foto da medio de 700 lux e 12,80 VDC de tenso sobre os LEDs do prottipo.

Na Figura 11 apresentado o prottipo do mdulo externo lmpada, cuja finalidade captar a iluminncia externa por meio de um sensor LDR fixado na face voltada para a fonte de luz natural e enviar as informaes pelo transmissor infraverme-lho localizado no lado oposto.

Figura 11 Prottipo do sensor/transmissor (frente).

Na Figura 12 est apresentada a face do mdulo que seria adesivada a uma janela destaque para o sensor LDR entre as espumas.

Figura 12 Prottipo do sensor/transmissor (vista traseira).

Para testar os prottipos, um segundo ensaio foi elaborado, dessa vez contando com duas lmpadas, ambas direcionadas para o luxmetro, como apresen-tado nas Figuras 13 e 14.

Figura 13 Esquema geral do segundo ensaio.

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Figura 18 Esquema eltrico para leitura do sensor LDR pela entrada analgica do Arduino.

Para a linearizao do LDR, foram utilizados trs esquemas, colocando-se resistores em srie com o LDR, como apresentado nas Figuras 19, 20 e 21. Com um resistor de 10K, a primeira curva expressa um comportamento essencialmente exponencial. A cada reduo no valor de resistncia, o sinal produ-zido tende a uma linearizao maior. Com o resistor de 47R, tem-se praticamente uma reta, entretanto, pela presena de muito rudo, optou-se por valores maiores de resistncia.

Figura 19 Linearizao: Resistores de 47R a 10K.

Figura 20 Linearizao: Resistores de 47R a 330R.

3 Resultados e discusso

Durante as medies, observou-se que a respos-ta de iluminncia da lmpada foi proporcional varia-o da sada PWM, como apresentado nas Figuras 16 e 17.

Figura 16 Valor de intensidade luminosa em funo da sada PWM, para 13,50

VDC, 14,50 VDC e 16,60 VDC.

Figura 17 Valor de Lux em funo

da Sada PWM para 13,50 VDC.

Como a faixa de interesse era de 0 a 1500 lux,

optou-se por aplicar a tenso de 13,50 VDC, pois o valor mximo de iluminncia estaria abaixo de 2.000 lux, enquanto para 16,60V a intensidade mxima de iluminncia atingiria uma marca superior aos 12.000 lux.

Definida a tenso mxima, diversas medies foram tomadas, variando em cada uma a sada PWM de 0 a 255, em intervalos de cinco unidades, totalizan-do 52 medies, compostas, cada uma, pela mdia de 50 leituras.

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A equao encontrada, baseada no modelo de Hoerl (eq. 1), fornece os valores de iluminncia (lux), a varivel S representando o valor lido pelo sensor e as constantes: a = 2,481.10-02; b = 1,001; c= 1,495, deduzidas pelo programa Curve Expert utilizado.

As duas extrapolaes apresentaram algum desvio entre os valores medidos e calculados pratica-mente nos mesmos pontos. Em mdia, o polinmio de 3 grau apresentou um erro relativo de 0,93%, contra 0,73% para equao de Hoerl (eq. 1), enquanto o Spline teve apenas 0,29% de erro relativo (Figura 23).

Figura 23 Erros relativos (diferenas entre valores medidos e calculados).

Apesar do elevado percentual de erro para os valores mais baixos de lux, como apresentado na Fi-gura 23, na Figura 24 demonstrado que at valores de cerca de 1.200 lux, no h diferenas significativas entre os valores medidos e os calculados com base nos modelos, o que possibilita a utilizao de qualquer um dos mtodos.

Figura 24 Diferena entre o valor medido e o valor calculado, dado em lux.

Figura 21 Linearizao: Resistor 10K e 330R

Tenso de referncia 1,1 VDC e 5,0 VDC.

Dessa forma, foi escolhido o resistor de 330R, por trs razes: a) por linearizar o sinal exponencial para uma curva polinomial do 3 grau; b) por apresentar pouco rudo em relao a resistores de resistn-cia inferior; e c) por permitir utilizar toda a faixa do conversor A/D do microcontrolador, uma vez que o valor mximo lido (cerca de 200), dividido pela valor mximo do conversor A/D de 10 bits (1023), multi-plicado pela tenso de referncia (5,00 VDC), resulta em aproximadamente +0,997 VDC, muito prximo da tenso de referncia interna do Arduino, que de 1,1 VDC, permitindo explorar melhor a resoluo do conversor.

Em seguida, foram obtidas equaes matemti-cas que melhor representam os dados experimentais. Por mtodos numricos, os dados foram equaciona-dos pelas tcnicas de extrapolao, utilizando um polinmio de 3 grau (Pol 3), pelo mtodo de Hoerl e pela tcnica de interpolao, utilizando o mtodo de Splines (Figura 22).

Figura 22 Extrapolao: Polinmio de 3 grau e Equao de Hoerl.

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energia eltrica do ambiente simulado, garantindo-se uma iluminncia constante de cerca de 700 lux.

Considerando-se um perodo de 24 horas, have-ria uma economia de 30% no consumo de energia eltrica, comparando-se ao uso de uma lmpada LED convencional, sem esse sistema inteligente para controle da potncia luminosa.

4 Concluso

Diante dos resultados apresentados, pode--se concluir que a tcnica de PWM aplicada para o controle de uma lmpada inteligente a LED uma alternativa promissora. Nos ensaios, o fluxo luminoso foi mantido aproximadamente constante, permitindo uma reduo do consumo de energia de um am-biente com iluminao natural e artificial, esta ltima baseada no conceito proposto.

REFERnCIAS

ABILUMI. Eficincia Energtica. 2007. Disponvel em: . Acesso em: 1 dez. 2014.

COSTA, Gilberto. Iluminao Econmica: clculo e avaliao. 4. ed. Porto Alegre: Edipucrs, 2006.

ZHELUDEV, Nikolay. The life and times of the LED a 100-year history. Nature Photonics, v. 1, abr. 2007. Disponvel em: . Acesso em: 23 abr. 2015.

Com base nos resultados obtidos no ensaio, que combina iluminao externa (natural) com iluminao obtida pelo prottipo da lmpada (artificial), foi poss-vel realizar a compensao da intensidade luminosa no alvo, de modo a se manter constante o valor de iluminncia, em aproximadamente 700 lux (Figura 25).

Figura 25 Iluminao total obtida a partir das iluminaes natural e artificial.

Como ltimo experimento, a medio da luz so-lar ao longo do dia revelou que, como esperado, a economia de energia eltrica seria maior quanto mais prximo do meio-dia (Figura 26).

Figura 26 Intensidades luminosas ao longo do dia.

Os ensaios foram realizados considerando que o sensor LDR no recebe nenhuma iluminao da lmpada, apenas a iluminao externa.

Outro aspecto a ser considerado como estimar a distribuio da iluminao natural pelo ambiente, pois os ensaios consideraram medies pontuais.

Respeitadas as condies do experimento, uma anlise preliminar dos dados revelou que, entre 7h e 17h, a lmpada inteligente poderia proporcionar uma reduo de aproximadamente 65% dos gastos de

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