CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRASÍLIA - UniCEUB CURSO DE .

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRASÍLIA - UniCEUBCURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃOMARCOS VINÍCIUS NERYSOLUÇÃO PARA GESTÃO DO CONSUMO DE ENERGIA RESIDENCIALOrientador: Prof.ª. M.C. MARIA MARONY SOUSA FARIASBrasíliaNovembro, 2013

MARCOS VINÍCIUS NERYSOLUÇÃO PARA GESTÃO DO CONSUMO DE ENERGIA RESIDENCIALTrabalho apresentado ao equisitopara a obtenção de Certificado deConclusão de Curso de Engenhariade Computação.Orientador: Prof.ª. M.C. MariaMarony Sousa FariasBrasíliaNovembro, 2013

MARCOS VINÍCIUS NERYSOLUÇÃO PARA GESTÃO DO CONSUMO DE ENERGIA RESIDENCIALTrabalho apresentado ao equisitopara a obtenção de Certificado deConclusão de Curso de Engenhariade Computação.Orientador: Prof.ª. M.C. MariaMarony Sousa FariasEste Trabalho foi julgado adequado para a obtenção do Título de Engenheiro de Computação,e aprovado em sua forma final pela Faculdade de Tecnologia e Ciências Sociais Aplicadas FATECS.Prof. Abiezer Amarilia FernandesCoordenador do CursoBanca Examinadora:Prof.ª. Maria Marony Sousa FariasMestre, UniceubProf.ª. Irene de Azevedo Lima JoffilyMestre, Uniceub.Prof. Marco Antônio de Oliveira AraújoMestre, UniceubProf. Sidney Cerqueira Bispo dos SantosMestre, Uniceub

Agradeço em primeiro lugar a Deus porme direcionar e me abençoar. Aos meuspais pelo apoio e incentivo em toda aminha vida. À todos meus amigos pelamotivação durante todos esses anos.

“O temor do Senhor ensina a sabedoria,e a humildade antecede a honra.”Provérbios 15:33.

SumárioLISTA DE FIGURAS. 8LISTA DE EQUAÇÕES . 9RESUMO. 10ABSTRACT . 11CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO . 111.1- Apresentação do Problema . 111.2- Objetivos do Trabalho . 131.3- Justificativa e Importância do Trabalho . 141.4- Escopo do Trabalho . 141.5- Resultados Esperados . 141.6- Estrutura do Trabalho . 15CAPÍTULO 2 – REFERENCIAL TEÓRICO . 162.1- Tensão e Transformadores . 162.2- Corrente elétrica e Sensor de corrente não invasivo. 182.3- Energia elétrica e potência . 202.4- Tecnologia Bluetooth e Shield Bluetooth . 242.5- Micro controlador Arduino UNO . 272.6- Protoboard MP 830. 282.7- Software . 292.7.1 - Arduino Software . 29CAPÍTULO 3 – SOLUÇÃO PARA GESTÃO DO CONSUMO DE ENERGIARESIDENCIAL . 313.1- Apresentação Geral do Modelo Proposto . 313.2- Descrição das Etapas do Modelo . 323.2.1 - Montagem do Shield Bluetooth, integração com Arduino e testes de comunicação. 323.2.2 - Construção do circuito e validação das medições . 353.2.3 - Gravação e listagem das medições. . 39CAPÍTULO 4 – TESTES E RESULTADOS DA APLICAÇÃO DO MODELO . 414.1- Teste de medição com lâmpada de 100W. . 414.2- Teste de medição com lâmpada de 60W. . 424.3- Teste de medição com ferro de passar roupa de 1200W. . 42

4.4- Visualização dos dados gravados em banco de dados . 434.5- Visualização da Interface Web . 44CAPÍTULO 5 – APLICAÇÃO PRÁTICA DO MODELO PROPOSTO . 455.1- Apresentação da área de Aplicação do Modelo. 455.2- Descrição da Aplicação do Modelo . 455.2.1 - Dificuldades Encontradas . 465.3- Custos do modelo proposto . 475.4- Avaliação Global do Modelo . 47CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO . 496.1- Conclusões . 496.2- Sugestões para Trabalhos Futuros . 50REFERÊNCIAS . 52APÊNDICE . 54Código 1 - Código de leitura de corrente, tensão e potências utilizado nos testes decomunicação. . 54Código 2 - Código de leitura de corrente, tensão e potências. . 57Código 3 - Código de leitura de corrente, tensão e potências com somente números paraenvio ao servidor. . 60Código 4 - Classe Java que estabelece comunicação com Shield e recebe informações . 62

LISTA DE FIGURASFigura 1.1 – Variação sobre igual período em 2012. 11Figura 1.2 – Variação de GWh sobre igual período em 2012. . 12Figura 1.3 – Topologia macro do projeto. (Fonte: Autor) . 13Figura 2.1 – Transformador comvoltas no primário eno secundário. . 17Figura 2.2 – Transformador Entrada 220V, com saída 9V 9V. . 18Figura 2.3 – Esquemático e dimensões do sensor de corrente não invasivo. . 19Figura 2.4 – Sensor de corrente não invasivo. . 20Figura 2.5 – Modelo de conta de energia. . 23Figura 2.6 – Tarifa vigente para classe de consumo Residencial. . 23Figura 2.7 – Rede Piconet. . 25Figura 2.8 – Rede Scatternet. . 25Figura 2.9 – Shield Bluetooth. . 26Figura 2.10 – Especificações do Shield Bluetooth . 26Figura 2.11 – Micro controlador Arduino UNO. . 27Figura 2.12 – Especificações do micro controlador Arduino UNO. . 28Figura 2.13 – Protoboard MP 830 . 29Figura 2.14 – IDE do Arduino e janela de informações e versão do software. . 29Figura 3.1 – Visão Geral do Modelo Proposto. . 31Figura 3.2 – Arduino UNO Shield Bluetooth. . 32Figura 3.3 – Shield Bluetooth aguardando comunicação com Smartphone . 33Figura 3.4 – Smarphone Comunicando com Shield Bluetooth e recebendo mensagem. . 34Figura 3.5 – Shield Bluetooth recebendo mensagem do Smartphone. . 34Figura 3.6 – Shield Bluetooth comunicando com Notebook. . 35Figura 3.7 – Diagrama elétrico do Circuito construído no Proteus. . 35Figura 3.8 – Circuito Completo com Arduino, Transformador e sensor de Corrente. . 36Figura 3.9 – Calibração das funções de cálculo de tensão e corrente. . 37Figura 3.10 – Comparativo na leitura de tensão em tempo real. . 37Figura 3.11 – Leitura das informações fornecidas ao ligar uma lâmpada de 100W. . 38Figura 3.12 – Parte principal do código de recebimento e tratamento das informações. . 39Figura 4.1 – Leitura de informações com lâmpada incandescente de 100W. . 41Figura 4.2 – Leitura de informações com lâmpada incandescente de 60W. . 42Figura 4.3 – Leitura de informações com ferro de passar roupa de 1200W. 42Figura 4.4 – Listagem na tabela tb consumo criada para armazenamento das consultas. . 43Figura 4.5 – Listagem de registros via interface Web. . 44Figura 5.1 – Custos do Projeto. . 47

LISTA DE EQUAÇÕESEQUAÇÃO 3.1 – EQUAÇÃO DA DEFINIÇÃO DA TENSÃO . 16EQUAÇÃO 3.2 – EQUAÇÃO DA RELAÇÃO ENTRE ESPIRAS E DDP.17EQUAÇÃO 3.3 - EQUAÇÃO DA INTENSIDADE DA CORRENTE . 18EQUAÇÃO 3.4 - EQUAÇÃO DA RELAÇÃO AMPERE E COULOMB/SEGUNDO . 19EQUAÇÃO 3.5 - EQUAÇÃO DA ENERGIA CONSUMIDA . 20EQUAÇÃO 3.6 - EQUAÇÃO DA POTÊNCIA . 20EQUAÇÃO 3.7 - EQUAÇÃO DA LEI DE OHM . 21EQUAÇÃO 3.8 - EQUAÇÃO DA RELAÇÃO POTÊNCIA E LEI DE OHM . 21EQUAÇÃO 3.9 - EQUAÇÃO DA POTÊNCIA MÉDIA . 21EQUAÇÃO 3.10 - EQUAÇÃO DA POTÊNCIA REATIVA . 22EQUAÇÃO 3.11 - EQUAÇÃO DA POTÊNCIA APARENTE . 22EQUAÇÃO 3.12 - EQUAÇÃO DA ENERGIA EM Wh. 22EQUAÇÃO 3.13 - EQUAÇÃO DA ENERGIA EM kWh. 22

RESUMONeste projeto é apresentada uma solução para gestão do consumo de energia em umambiente residencial. O sistema proposto é composto de um micro controlador Arduino UNO,sensor de corrente, transformador de tensão, circuito integrador e interface Web. O protótipo éembarcado ao medidor de energia residencial, possibilitando ao usuário gerir de formafacilitada o consumo de energia. O projeto utiliza um sensor de corrente não invasivo, o quepermite uma fácil montagem e instalação em qualquer circuito. Do sistema acoplado aomedidor é enviado via tecnologia Bluetooth todas as informações captadas a um servidor,onde estas informações são tratadas e armazenadas para serem disponibilizadas para osusuários via Web. O sistema é capaz de captar informações como: potência ativa, potênciaaparente, fator de potência, tensão, corrente e quilowatts-hora consumidos. Além destes dadosé calculado, estimado e disponibilizado também com base nestas informações, o valor emreais que está sendo consumido periodicamente e uma previsão da conta de energia elétrica ougastos realizados em determinado período.Palavras-chave: Arduino, sensor de corrente, transformador de tensão, medidor de energia,energia elétrica, potência ativa, potência aparente, fator de potência, tensão, consumo,Bluetooth.

ABSTRACTIn this project is presented a solution of managing power consumption for residentialenvironment. The proposed system consists of an Arduino UNO microcontroller, currentsensor, voltage transformer, integrator circuit and Web interface. The prototype is embeddedto residential power meter, enabling the user to easily manage energy consumption. Theproject uses a non-invasive sensor current, which allows easy assembly and installation in anycircuit. To the coupled system, is sent by Bluetooth technology all captured information to aserver, where the information is processed and stored to be available to users via Web. Thesystem is able to capture information such as active power, apparent power, power factor,voltage, current and kilowatt - hours consumed. In addition to these data is calculated and alsoavailable based on this information an estimated real value being consumed periodically, anda prevision of the electricity bill or expenses incurred in a given period.Key-Words: Arduino, current sensor, power adapter, energy meter, electric energy, realpower, apparent power, power factor, voltage, consumption, Bluetooth.

11CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO1.1 - Apresentação do ProblemaDiante do crescimento contínuo do uso de energia elétrica principalmente em paísesem desenvolvimento como o Brasil, cada vez mais se faz necessário adotar medidas decontrole, economia e monitoramento do uso de energia nos mais variados locais para que odesperdício de energia seja minimizado.Segundo dados da EPE (Empresa de Pesquisa Energética), o consumo nacional deenergia elétrica na rede somou 115.124 giga watts-hora (GWh) no terceiro trimestre de 2013,o que representou um crescimento de 3,9% sobre igual período de 2012. Os segmentos deconsumo são divididos pela EPE em classes como Residencial, Comercial, Industrial e Outrosconforme mostrado na figura 1.1.Figura 1.1 – Variação sobre igual período em 2012.(Fonte: Empresa de Pesquisa Energética)Analisando a figura 1.1, segundo a classificação em classes, o setor residencial foi omaior contribuinte para o aumento com acréscimo de 6,9% em relação a 2012. Ainda segundoa empresa, esse aumento neste setor se deve à expansão da posse e ao maior uso deeletrodomésticos nos domicílios.Se comparado somente o 3º trimestre de 2013 em relação ao do ano anterior pode serobservado o aumento considerável em GWh conforme figura 1.2.