DEVELOPMENT OF A IOT DEVICE FOR CONTROLLING AND MONITORING OF ENERGY CONSUMPTION
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10201530
Nataly Suene de Almeida¹
Raoni Rafi de Melo Moraes²
Kimberly Josy Marca Calle³
Enzo Secchi Grazioso Saroka⁴
Orientador Me. Paulo Cesar da Silva Emanuel⁵
RESUMO
Este artigo tem como objetivo o desenvolvimento de um dispositivo Internet of Things (IoT) baseado no microcontrolador ESP-32 junto de um aplicativo móvel capaz de controlar tomadas elétricas via Wi-Fi e coletar dados de consumo elétrico, a fim de automatizar a residência do usuário com o controle inteligente de seus dispositivos.
Palavras-chave: Internet of Things, IoT, Smart, Aplicativo, Energia.
ABSTRACT
This article has as objective the development of a Internet of Things (IoT) device based at the microcontroller ESP-32 together with a mobile application capable of controlling wall sockets via Wi-Fi and collecting electrical consumption data to automate the user residence with the smart control of its devices.
Keywords: Internet of Things, IoT, Smart, Application, Energy.
1. INTRODUÇÃO
Este artigo apresenta o projeto de desenvolvimento de um sistema de um dispositivo Internet of Things (IoT) onde buscamos automatizar o controle de aparelhos residenciais que inicialmente não possuem qualquer conexão com a internet.
A construção do protótipo é baseada em se tornar uma ferramenta de conscientização pela economia de energia. Realizando a coleta de dados de consumo de um determinado aparelho em uma residência, obtendo os valores de tensão e corrente para o cálculo do consumo possibilitando ao consumidor acompanhar todo o gasto com o consumo de energia elétrica em tempo real.
1.1. JUSTIFICATIVA
Este trabalho se fundamenta na crescente demanda por dispositivos IoT com finalidade tanto de controle como para coleta de dados junto como é apresentado no estudo publicado pela TGT Consult e a Associação Brasileira de Internet das Coisas (ABINC), onde revelam que o número de dispositivos Internet of Things (IoT) conectados devem chegar a 27,1 bilhões até 2025 (EQUIPE TGT CONSULT, 2022).
Além disso é possível observar um aumento no consumo de energia como apresentado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), onde foram apontados 152.771 Gigawatts hora (GWh) consumidos pela classe residencial no Brasil em 2022, sendo que desse valor
21.78 GWh foram consumidos por moradias de baixa renda, 130.759 GWh pelo consumidor convencional e 136 GWh por consumo de alta tensão.
(Gráfico 1. Fonte: adaptado de EPE, Anuário Estatístico de Energia Elétrica 2023)
Com este crescente aumento no consumo de energia das residências e também com o impacto que a conectividade possui nas mercadorias atuais, aparelhos eletrodomésticos que possam ser controlados remotamente se tornam mais atrativos para o consumidor final.
MORAES, P. K. etal(2020. p. 975) estima que
Considerando um protótipo da tomada, realizou-se uma análise de custos utilizando-se componentes vendidos a preço de mercado. Foi obtido um custo médio de R$35,00 por tomada, e de R$85,00 para a central do sistema. Considerando o desenvolvimento do site e do aplicativo mobile para os sistemas operacionais mais utilizados: Android e IOS, estimou-se um custo médio de R$59.160,00. Como funcionalidades do aplicativo foram consideradas: interface simples, ambiente sem anúncios e sem propagandas, a realização de login pelo usuário, permitir o cadastro de vários usuários, além de possuir um painel administrativo que permita a automação das tomadas. Foi considerado para o produto apenas o uso do idioma português. Detalhes dessa estimativa podem ser vistas na tabela 1. É necessário ressaltar, no entanto, que após o término do desenvolvimento da interface do sistema, seria necessário a manutenção de uma equipe para realizar eventuais instalações e manutenções no aplicativo.
Tabela 1
(Fonte: MORAES, P. K. etal. Smartplug. 2020. p. 975)
Por isso buscamos desenvolver este projeto para que possa ser introduzido dentro de qualquer lar para controle e acompanhamento de qualquer aparelho que funcione em tomadas 110 V a 220 V, ajudando aqueles que queiram construir sua própria “Tomada Inteligente”.
1.2. OBJETIVOS (GERAL E ESPECÍFICOS)
Propomos o desenvolvimento de um dispositivo conectado à rede elétrica de uma residência, que ofereça um cálculo de consumo de energia elétrica dado em KWh e controle do ponto instalado como uma chave relé controlada via Wi-Fi. Oferecendo dados de consumo visando gerar conscientização e economia de energia elétrica, além de permitir que o usuário tenha mais controle sobre seus eletroeletrônicos.
3. DESENVOLVIMENTO
Os principais componentes para a construção do dispositivo são um microcontrolador do modelo ESP-32, este modelo pois possui conectividade Bluetooth e Wi-Fi integradas, uma mini fonte transformadora de 110V para 5V, um sensor de corrente ACS712, um sensor de tensão ZMPT101B e por fim um relé de 5V.
Os sensores de tensão e corrente são do tipo analógico e, portanto, é preciso que suas saídas de sinais estejam conectadas em qualquer uma das várias entradas analógicas que o ESP-32 possui. Entretanto o relé recebe apenas um sinal digital que controla o estado da chave e, desta forma, pode ser conectado em qualquer pino que funcione como saída.
A partir da figura abaixo, podemos ver de forma mais clara como a ligação entre componentes é feita. Lembrando que os pinos conectados ao ESP-32 podem variar de acordo com modelo, o que não impacta na execução do projeto.
Figura 1
(fonte: Autor)
3.1. ARDUINO
Para desenvolver a programação, foi utilizado a Arduino Integrated Development Environment (Arduino IDE), por ser uma plataforma amplamente utilizada na programação de microcontroladores.
Para medir a tensão como sensor ZMPT101B é feita a alimentação do módulo com 5v e conectado o ground, então a conexão com uma porta de leitura analógica do microcontrolador irá ler o valor instantâneo da rede elétrica em uma resolução de 10bits, mas antes de prosseguir com sua implementação o módulo precisa passar por uma calibragem onde os valores de pico são coletados para poder transformar os valores digitais em sua tensão equivalente.
Com os valores colhidos de pico máximo e mínimo da rede, podemos armazenado em uma variável do tipo float para então ser comparado e remapeado dentro do intervalo de 110V a 220V de acordo com os valores e aplicando a fórmula de Tensão eficaz (RMS).
Utilizando um processo parecido para o sensor de corrente ACS712 onde a corrente é medida de acordo com uma proporção de 66 mV/A segundo o fabricante. (ALLEGRO MYCROSYSTEMS, 2023).
Por fim, unindo estes dados podemos calcular a potência e o consumo do aparelho com a fórmula enviando para o banco de dados através das bibliotecas MySQL_Connection e MySQL_Cursor, que se conecta utilizando IP, usuário e senha do MySQL.
Já a conexão com a internet é feita através da função de Access Point (Ponto de Acesso) do ESP-32, que recebe as informações de nome e senha do roteador a se conectar
3.2. BANCO DE DADOS
Para armazenar os dados utilizaremos o MySQL Workbench, esta aplicação é uma ferramenta de design, desenvolvimento e administração de bancos de dados MySQL, amplamente empregada para facilitar a interação com sistemas de gerenciamento de banco de dados. Desenvolvida pela Oracle Corporation, essa aplicação proporciona uma interface gráfica intuitiva para modelagem de dados, criação e execução de consultas SQL, além de oferecer recursos de administração de servidores MySQL
Sua programação é baseada na linguagem StructuredQuery Language (SQL), esta linguagem de programação foi projetada para gerenciar e manipular dados armazenados em um sistema de gerenciamento de banco de dados relacional. Ela fornece um conjunto de comandos padronizados que permitem a criação, modificação e recuperação de dados em bancos de dados relacionais. Utilizando instruções como SELECT, INSERT, UPDATE e DELETE, os usuários podem realizar operações específicas em tabelas e, assim, controlar o conteúdo do banco de dados. Além disso, o SQL oferece a capacidade de definir esquemas, estabelecer relacionamentos entre tabelas, e impor restrições de integridade, garantindo a consistência e a confiabilidade dos dados.
Gráfico 2 : Ranking dos países que utilizam MYSQL
(Fonte: 6SENSE.MySQL – Market Share, Competitor Insights in Relational Databases”, [s.d.])
Utilizamos esta ferramenta para armazenarmos os dados de configurações do dispositivo, usuários do sistema e todos os outros dados gerados por nosso dispositivo. Estas informações são armazenadas de forma estruturada, isto é, em tabelas de dados, para que, posteriormente, o usuário pudesse realizar consultas às informações e desta forma gerar insights sobre a utilização de energia no ambiente onde nosso projeto fosse desenvolvido, sendo possível também, o usuário final, de consultar o histórico de informações para comparação e então gerar gráficos demonstrando a eficiência energética durante determinados períodos.
A estruturação da base de dados foi realizada com as seguintes informações dentro de cada tabela:
1. Tabela “Dispositivos”:
- ID (Chave Primária)
- Nome do Dispositivo
- IP do Dispositivo
- Status de Conexão (Ligado/Desligado)
2- Tabela “Leituras_Energia”:
- ID (Chave Primária)
- ID do Dispositivo (Chave Estrangeira referenciando a tabela Dispositivos)
- Data e Hora da Leitura
- Tensão (em volts)
- Corrente (em ampères)
- Consumo (em kWh)
- Potência (em watts)
3. Tabela “Usuários”:
- ID (Chave Primária)
- Nome
- Sobrenome
- Senha
4. Tabela “Configurações_Dispositivos”:
- ID (Chave Primária)
- ID do Dispositivo (Chave Estrangeira referenciando a tabela Dispositivos)
- Outras configurações específicas do dispositivo (pode incluir informações como limites de consumo, alertas, etc.)
3.3. APLICATIVO MOBILE
O Framework Flutter foi o escolhido para ser usado como tecnologia para criação do aplicativo mobile, ele permite o desenvolvimento multiplataforma com um único código de programação, além da criação de uma interface de usuário dinâmica e eficiente no mesmo. Foi implementada uma integração com o banco de dados para possibilitar aos usuários visualizarem as informações em tela. A mesma também possui botões que possibilitam ao usuário: Ligar e desligar o dispositivo, editar as informações de conexão, excluir um dispositivo cadastrado e adicionar novo dispositivo.
Figura 2 : Tela inicial com dispositivos previamente cadastrados, retornados do banco de dados.
(Fonte: Autor.) Legenda em vermelho
Dentro da tela de inclusão e alteração, é possível adicionar o nome e o IP do dispositivo a ser conectado com o aplicativo, graças a isso, o sistema consegue buscar no banco de dados através de métodos desenvolvidos em dart, junto à livraria mysql1,esta realiza a parte de conexão com o banco de dados e retorna os dados encontrados referentes ao dispositivo com o IP cadastrado.
Figura 3: Tela de inclusão.
(Fonte: Autor)
Figura 4: Tela de alteração de dados.
(Fonte: Autor).
Ao selecionar um dos dispositivos, o sistema abre uma tela com os dados retornados do banco de dados, onde o título da página é o nome que o usuário deu ao dispositivo durante o cadastro. Também é possível ver o estado da conexão com o dispositivo e os dados retornados do banco de dados.
Figura 5: Tela com informações retornadas do banco de dados.
(Fonte: Autor) Legenda em vermelho
Figura 6: Dispositivo desligado na tela.
(Fonte: Autor)
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Conseguimos utilizar os módulos de sensores ZMPT101B e ACS712 para obter informações de consumo de energia ao usar o ESP-32 junto com o aplicativo de modo intuitivo, simples e aberto a customização, auxiliando o usuário que planeja automatizar sua residência trazendo mais conforto e, principalmente um relatório com as informações dos dados coletados. Possibilitando uma utilização mais consciente e racional da energia elétrica, recurso tão utilizado e que tem um impacto significativo nos custos mensais de manutenção das habitações e dos ambientes comerciais.
POSSÍVEIS MELHORIAS
Para futuros trabalhos, pode-se melhorar a construção física do protótipo através do uso de placas de circuito impresso, que apesar de aumentar o custo de projeto torna a construção mais compacta se comparada a protoboard.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
6SENSE. MySQL – Market Share, Competitor Insights in Relational Databases. 2023. Disponível em: <https://6sense.com/tech/relational-databases/mysql-market-share>. Acesso em: 20 nov. 2023.
ALLEGRO MICROSYSTEMS. ACS712. 2023. Disponivel em: <https://www.allegromicro.com/en/Products/Sense/Current-Sensor-ICs/Zero-To-Fifty-Amp- Integrated-Conductor-Sensor-ICs/ACS712>. Acesso em 19 Nov. 2023.
DYI Projects Lab. How to use ZMPT101B Voltage Sensor Module with Arduino. 2023. Disponível em: <https://diyprojectslab.com/zmpt101b-voltage-sensor-module-with-arduino/>. Acesso em: 19 Nov. 2023.
EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Anuário Estatístico de Energia Elétrica 2023, ano base 2022. 2023. Disponível em: <https://dashboard.epe.gov.br/apps/anuario-livro/#36_Consumo_por_classe,_regi%C3%A 3o_e_UF_(GWh)>. Acesso em: 15 Nov. 2023.
EQUIPE TGT CONSULT. ISG Provider Lens™Internet of Things–Services and Solutions – Brazil 2022. 2022. Disponível em: <https://www.tgt.com.br/blog/2022/08/10/isg-provider-lens-internet-of-things-services-and- solutions-brazil-2022/>. Acesso em: 15 Nov. 2023.
MORAES, P. K.; FERREIRA, C. C. R.; FIGUEIREDO, L. F.; PEIXOTO, M. G. M.;
BARBOSA, S. B. Smartplug – Sistema de Tomadas Inteligentes Para Uso Racional De Energia Elétrica. Revista Gestão & Sustentabilidade Ambiental, v. 9, p. 964–979, 2020. Disponível em: <https://portaldeperiodicos.animaeducacao.com.br/index.php/gestao_ambiental/article/vie w/9221>. Acesso em: 15 nov. 2023.
MYSQL. MySQL Workbench. 2023. Disponível em: <https://www.mysql.com/products/workbench/>. Acesso em 19 Nov. 2023. ORACLE. MySQL. Disponível em: <https://www.mysql.com/>.
1 Discente do Curso Superior de Engenharia de Computação da Universidade São Judas Tadeu Campus Mooca e-mail: nataly_suene@hotmail.com
2 Discente do Curso Superior de Engenharia de Computação da Universidade São Judas Tadeu Campus Mooca e-mail: raynix4@gmail.com
3 Discente do Curso Superior de Engenharia de Computação da Universidade São Judas Tadeu Campus Mooca e-mail: kimberlyjosymarcacalle@gmail.com
4 Discente do Curso Superior de Engenharia de Computação da Universidade São Judas Tadeu Campus Mooca e-mail: enzo.saroka@gmail.com
5 Docente do Curso Superior de Engenharia de Computação da Universidade São Judas Tadeu Campus Mooca e-mail: profpemanuel@gmail.com