INTEGRATION OF ENERGY MEASUREMENT AND HOME AUTOMATION: DEVELOPMENT OF AN EMBEDDED SYSTEM
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10052064
Thiago Cardoso Soares1
Ítalo de Paula Pedroza2
Daniel Sabino Rodrigues3
Thiago Souza Dellarmelina4
Prof. Msc. Pablo Augusto da Paz Elleres5
RESUMO
O artigo apresenta um projeto inovador focado na medição de energia em tempo real e no controle de dispositivos de energia em ambientes residenciais. Esse protótipo é composto por dois componentes fundamentais: Um Arduino para medição de energia e um ESP32 para controle de dispositivos. O Arduino é responsável por medir com precisão o consumo de energia em tempo real, permitindo que os usuários monitorem o uso de eletricidade em suas residências. Essa funcionalidade fornece informações essenciais sobre a eficiência energética e auxilia na redução de custos. Por outro lado, o ESP32 atua como controlador, possibilitando que os usuários liguem ou desliguem remotamente pontos de energia. Assim, oferecendo maior conveniência e controle sobre dispositivos elétricos e sistemas residenciais ao promover a gestão eficaz da energia. A combinação de medição e controle, juntamente com a conectividade sem fio, contribui para a criação de residências mais inteligentes e energeticamente eficientes. O projeto ilustra o potencial da Engenharia de Computação para aprimorar a vida cotidiana e reduzir o consumo desnecessário de energia. O impacto é uma melhoria na eficiência energética e uma contribuição para um futuro mais sustentável, promovendo a aplicação prática de avanços tecnológicos no cotidiano.
Palavras-chave: medição energética, domótica, protótipo.
ABSTRACT
The article presents an innovative project focused on real-time energy measurement and the control of energy devices in residential settings. This prototype comprises two fundamental components: an Arduino for energy measurement and an ESP32 for device control. The Arduino is responsible for precise real-time energy consumption measurement, enabling users to monitor their electricity usage at home. This functionality provides crucial insights into energy efficiency and supports cost reduction. On the other hand, the ESP32 acts as a controller, allowing users to remotely turn power points on or off. This offers greater convenience and control over residential electrical devices and systems, promoting efficient energy management. The combination of measurement and control, along with wireless connectivity, contributes to the creation of smarter and more energy-efficient homes. The project illustrates the potential of Computer Engineering to enhance daily life and reduce unnecessary energy consumption. The impact is improved energy efficiency and a contribution to a more sustainable future, promoting the practical application of technological advancements in everyday life.
Keywords: energy measurement, home automation, prototype.
1 INTRODUÇÃO
A busca por soluções inovadoras e eficientes para o gerenciamento de consumo energético em ambientes residenciais tem ganhado destaque significativo. A crescente conscientização sobre a importância da eficiência energética aliada ao avanço tecnológico, tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas que permitam não apenas a medição precisa do consumo de energia, mas também o controle inteligente dos dispositivos elétricos, resultando em economia de recursos e redução do desperdício.
Este artigo concentra-se no projeto e desenvolvimento de um circuito que realiza a medição de energia elétrica baseando-se no módulo ESP32 juntamente com Arduino UNO, o qual não somente aferirá o consumo energético, mas principalmente controlará os chaveamentos de energia em ambientes residenciais. A integração da tecnologia de medição com o controle remoto de dispositivos elétricos visa proporcionar uma solução abrangente para a otimização do consumo de energia.
Nesse contexto, questiona-se: Projetar e desenvolver um aparelho baseado no módulo ESP32 e Arduino UNO contribui para uma medição precisa do consumo energético e controle remoto dos chaveamentos de energia?
Este questionamento deriva da necessidade de explorar como a tecnologia atual juntamente com o módulo ESP32 e Arduino UNO pode ser aplicada de maneira inovadora para atender às demandas de medição e controle de energia em residências. A pesquisa abordará a concepção do aparelho, a integração com dispositivos elétricos e a viabilidade de sua implementação prática.
Deste modo, o objetivo principal deste artigo é projetar, desenvolver e avaliar um circuito medidor de consumo elétrico no qual baseia-se no módulo ESP32 e Arduino UNO. Além disso, busca-se especificamente: Explorar as funcionalidades do módulo ESP32 e Arduino UNO e suas aplicações na medição e controle de consumo energético; desenvolver um sistema que permita o monitoramento em tempo real do consumo energético; proporcionar um controle remoto seguro e prático para os dispositivos elétricos e avaliar a eficácia do aparelho no contexto da otimização do consumo energético residencial.
A estrutura do trabalho compreenderá a revisão bibliográfica, na qual serão abordados os conceitos relacionados à medição de consumo energético, tecnologias IoT, e aprofundamento no módulo ESP32 e Arduino UNO. A metodologia detalha o processo de projeto e desenvolvimento do aparelho, incluindo os passos para a medição e controle. O desenvolvimento apresentará os resultados alcançados, seguido por discussões sobre as implicações práticas e os benefícios do sistema proposto. Por fim, a conclusão reunirá as principais descobertas e destaca a relevância da aplicação do módulo ESP32 e Arduino UNO na busca por soluções eficientes de gerenciamento de energia.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Em nossa dissertação, o referencial teórico abrange uma variedade de subseções cruciais que estabelecem uma base sólida para nossa pesquisa. Essas subdivisões se encaixam em quatro categorias principais: Medição energética, na qual investigamos os princípios e técnicas de medição de energia elétrica; Domótica, que trata de sistemas e tecnologias relacionados à automação residencial; Protótipo, com foco na criação de um modelo prático para nossos experimentos e Firmware, que engloba o desenvolvimento de software incorporado para garantir o funcionamento eficaz dos dispositivos utilizados. Cada uma dessas subdivisões desempenha um papel fundamental na compreensão e execução de nossa pesquisa.
2.1 MEDIÇÃO DE ENERGIA
A medição da energia elétrica é de suma importância para que os consumidores paguem apenas por aquilo que eles consomem, isso faz com que os consumidores tenham consciência de economizar quando e onde for necessário. Além dessa atitude beneficiar o consumidor economicamente, também evita o desperdício de recursos naturais que são provenientes do meio ambiente. Com relação a geração de energia, o site Custom Power diz que:
[…] qualquer fonte de energia necessita de uma grande estrutura industrial (usina) para sua geração, e cada uma destas usinas é concebida de forma a produzir uma quantidade limitada de energia, dentro de condições específicas.
Por exemplo, uma hidrelétrica é dependente do regime de chuvas para manter seus reservatórios em nível de trabalho. O alto consumo de energia durante os períodos de escassez de chuvas compromete o funcionamento da usina.
Em alusão à afirmação supracitada, torna-se evidente, portanto, a relação direta do consumo energético na sociedade, geração de energia em alta escala e disponibilidade de recursos naturais. Logo, quanto menores forem as perdas energéticas desnecessárias, menores serão os impactos ambientais.
2.2 DOMÓTICA
A palavra “domótica” provém da junção entre as palavras “domus” e “robótica”, sendo a primeira palavra citada tendo o significado de “casa” em latim. Em síntese, domótica é a automatização de residências que consiste em aplicar eletrônica em conjunto com sistemas inteligentes para ambientes residenciais.
A domótica oferece uma série de benefícios para os ocupantes de ambientes residenciais e comerciais, incluindo:
- Eficiência Energética: Os sistemas domóticos podem reduzir o consumo de energia ao otimizar o uso de aquecimento, iluminação e resfriamento.
- Conveniência: A automação residencial simplifica tarefas diárias e permite o controle remoto de dispositivos.
- Segurança: Sistemas de segurança integrados, como câmeras, sensores de intrusão e sistemas de monitoramento, aumentam a segurança.
- Acessibilidade: A domótica pode ser adaptada para melhorar a vida de pessoas com necessidades especiais.
- Valorização do Imóvel: A incorporação de tecnologias domésticas pode aumentar o valor de mercado de uma propriedade.
A medição de energia domótica está totalmente ligada à automação residencial. Sobre isso a Redação do Fórum da Construção diz que:
Automação residencial é o uso da tecnologia para facilitar e tornar automáticas algumas tarefas habituais que em uma casa convencional ficaria a cargo de seus moradores. Com sensores de presença, temporizadores ou até um simples toque em um botão do keypad ou do controle remoto é possível acionar cenas ou tarefas pré-programadas, trazendo maior praticidade, segurança, economia e conforto para o morador.
Casas automatizadas possuem várias vantagens e confortos. Entre esses está a economia no consumo de energia elétrica até mesmo quando a pessoa encontra-se longe de sua residência. Segundo o site Mundo da Elétrica:
[…] usando um dispositivo de gerenciamento de consumo elétrico e de água, é possível detectar onde está concentrada a maior demanda e reduzir de forma equilibrada os gastos desnecessários, que proporcionam uma redução de até 30% do total gasto.
Em resumo, conclui-se que a medição de energia domótica é além de uma grande aliada na hora de economizar energia elétrica, como também facilitadora de praticidade cotidiana para os seus usuários.
2.3 PROTÓTIPO
O desenvolvimento de um protótipo é uma das principais opções quando estamos falando de algo que vai ser utilizado pelo público. Mas o que exatamente é um protótipo e qual é a sua importância na concepção de produtos e sistemas? Como encontrado na Redação Wishbox, ele é um modelo inicial de algum projeto para prova de conceito ou até mesmo como MVP (Produto Viável Mínimo). Outra definição descreve protótipo como sendo a representação do objeto a ser projetado com todas as características funcionais e dimensionais do produto (BACK et al., 2008).
Na prática, um protótipo é tão somente a primeiríssima versão de um produto, construída para passar por análises e avaliações que dirão, de maneira clara, que melhorias devem ser feitas antes de sua exposição ao público (ROVEDA; UGO, 2021).
A ideia de prototipagem facilita no início de projetos, pois permite a validação do que está sendo feito. Diante disso, é possível que algumas interações indesejadas sejam evitadas ao fornecer algo concreto para ser utilizado, seja física ou visualmente.
A prototipagem física é utilizada para detectar fenômenos inesperados, pois eles só se apresentam quando as leis da física são aplicadas diretamente no protótipo físico (ULRICH e EPPINGER, 2008).
Os benefícios que podemos citar de prototipagem virtual são diversos, tais como: O protótipo virtual ser mais prático e eficiente em casos nos quais as mudanças são rápidas e frequentes (GRIMM, 2005); Possibilitar maior liberdade de criação (PINHO; FREITAS; TRAMONTANO, 2003); Permitir a repetição e exploração de possibilidades praticamente sem custo adicional (CHOI; CHAN, 2004) e reduzir a necessidade de protótipos físicos (MCLEOD, 2001).
2.4 FIRMWARE
O conceito de Firmware é essencial para entender o funcionamento do protótipo. Com ele temos uma camada intermediária entre o físico e o abstrato, ou seja, é a união entre o Hardware e o Software como afirma SOUSA (2023) “Firmware é uma camada intermediária crucial entre hardware e software. Ele fica num microcontrolador, que é um tipo de processador embutido num chip que tem a função de controlar um dispositivo”.
Eles possuem um papel fundamental na criação de sistemas embarcados e configuração de microcontroladores para executarem tarefas específicas. Firmware são códigos que atuam como o SO (Sistema Operacional) do microcontrolador para executar aquilo para o qual ele foi programado.
[…] Em um hardware simples, ele atua como um sistema operacional, pois será a única referência de software existente no aparelho. É o caso de um semáforo ou de uma máquina de lavar, por exemplo. […] Já em máquinas mais sofisticadas, como smartphones e computadores, é comum que o firmware assuma o papel de intermediário, conectando o hardware ao seu sistema operacional (JOZIMAR, 2023).
No que diz respeito a programação, eles podem ser configurados de diversas formas. Existem algumas linguagem que são as mais utilizadas, porém não há uma regra que diga qual a linguagem é a correta para se usar, o uso vai depender do objetivo e complexidade de cada caso.
O firmware é escrito em uma variedade de linguagens de programação, dependendo do dispositivo e do propósito do firmware. Algumas das linguagens de programação mais comuns usadas para escrever firmware incluem C, C++, Assembly. Alguns fabricantes de dispositivos também usam linguagens de alto nível, como Java ou C#, para escrever firmware. A linguagem de programação escolhida depende da complexidade do dispositivo, da quantidade de recursos disponíveis e do propósito do firmware (SOUZA, 2023).
O firmware desempenha um papel crucial no contexto da segurança e da comunicação. Sua programação é fundamental para capacitar máquinas ou dispositivos eletrônicos a atuar como sólidos aliados dos softwares, estabelecendo uma interação que se mostra essencial no âmbito da segurança.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Na presente seção, expõem-se os principais componentes e dispositivos que foram empregados no processo de desenvolvimento do projeto voltado para a domótica e a medição energética. Cada um desses elementos desempenha um papel de extrema relevância no contexto do funcionamento do sistema, contribuindo de maneira substancial para o alcance de seus objetivos e a otimização de seu desempenho.
3.1 ESP 32.
O ESP32 , como vemos na figura 1, desempenha um papel fundamental na implementação do nosso sistema. Sua versatilidade e potência permitem uma ampla gama de aplicações práticas. No contexto da solução de domótica, o ESP32 é o responsável pelo controle eficaz das operações de chaveamento, permitindo a ativação e desativação de dispositivos e sistemas de maneira remota.
Figura 1: Microcontrolador ESP32
Fonte: br.mouser.com, 2023
O microcontrolador faz uso de recursos de comunicação como conectividade Wi-Fi e Bluetooth, oferecendo a opção de ser adquirido individualmente ou como parte de placas que já incluem componentes adicionais como reguladores de tensão, portas micro USB e uma variedade de portas disponíveis. Todas essas portas são versáteis e podem ser empregadas para conectar sensores e atuadores (ESPRESSIF, 2018).
3.2 Arduino UNO
No contexto do projeto, o Arduino UNO desempenha um papel estratégico na gestão de tarefas de controle e interação, bem como na medição energética. Sua capacidade de processamento, juntamente com a versatilidade de suas entradas e saídas digitais e analógicas, permite que ele seja utilizado para uma variedade de finalidades, desde a leitura de sensores de corrente e tensão até o cálculo preciso do consumo energético.
Figura 2: Arduino UNO
Fonte: www.lojamundi.com.br, 2023
Segundo GUEDES, G. B., o Arduino Uno se destaca em relação às placas anteriores devido sua abordagem inovadora para a conversão de sinal serial. Em vez de depender do chip FTDI, ele utiliza um Atmega8U2 programado para atuar como conversor USB para serial. Essa solução proporciona uma maior praticidade, simplificando a coleta de dados.
Para programar a aferição do consumo energético, foi empregada a biblioteca EmoLib.h. Essa biblioteca desempenhou um papel fundamental ao fornecer as ferramentas e funções necessárias para a medição precisa e o registro do consumo de energia do projeto.
Figura 3: Chamada da biblioteca EmoLib.h
Fonte: autores, 2023.
3.3 SCT-013 100A
Os medidores de corrente SCT-013 100A são componentes para a monitorização em tempo real do consumo energético. Esses dispositivos, que se destacam por sua capacidade de fornecer dados extremamente relevantes, são essenciais para a gestão eficaz de energia e a tomada de decisões informadas no contexto deste projeto.
Figura 4: Medidor de corrente SCT-013
Fonte: produto.mercadolivre.com.br, 2023
Segundo FILHO (2022), o sensor de corrente SCT-013 (figura 4) tem como principal vantagem não precisar de contato elétrico com o circuito para medir a corrente elétrica alternada que passa pelo condutor.
3.4 Módulo sensor de Tensão AC 0 a 250V
Por meio do sensor, foi possível realizar medições precisas da tensão capturada, permitindo, assim, o cálculo da potência energética envolvida no sistema.
Figura 5: Módulo sensor de Tensão AC 0 a 250V
Fonte: www.msseletronica.com.br, 2023
Como firmou FILHO (2022), o sensor de tensão (figura 5) é um módulo de alta precisão projetado para detectar a presença de tensão alternada em um circuito, bem como realizar medições de valores de tensão. Ele é capaz de medir uma faixa de tensão que varia de 0 Vrms a 250 Vrms, com uma notável precisão de ±1%. Um ponto relevante sobre o sensor é o fato de ele ser simples de utilizar e possui um potenciômetro de corte múltiplo para ajustar a saída do sensor (CURTOCIRCUITO, 2019).
3.5 Módulo Relé
Os relés são componentes de extrema importância para a automação e controle de dispositivos elétricos, destacando-se por sua capacidade de possibilitar a comutação de cargas elétricas.
Figura 6: Módulo Relé 1 Canal
Fonte: https://daeletrica.com.br/modulo-rele-5v-1-canal
Esses dispositivos desempenham um papel fundamental na gestão eficaz de sistemas elétricos e na tomada de decisões informadas no âmbito de projetos diversos.
Como afirma CASTRO, Os relés são ideais para chavear cargas de alta potência, superando as limitações dos transistores. Sua versatilidade permite operar tanto corrente alternada quanto direta, com isolamento entre circuitos.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para que fosse possível fazer os testes em uma rede elétrica real, foi produzido um medidor energético em um protótipo com um Arduino UNO. Abaixo vemos o resultado da prototipagem com o que foi usado.
Figura 7: Protótipo Medidor Energético.
Fonte: autores, 2023
Pode-se ver os aparelhos conectados por um circuito eletrônico onde é ligado a um arduino com seus pinos programados para executarem a medição do consumo de energia. Esses ao serem associados, permitiram a obtenção dos valores gerados com seu funcionamento.
Figura 8: Protótipo montado para uso.
Fonte: autores, 2023
Com a utilização foram obtidos alguns valores de 4 diferentes cenários testados, os quais foram divididos em: lâmpadas desligadas; lâmpada ligada; 2 lâmpadas ligadas; 3 lâmpadas ligadas.
Cenário 1: Lâmpadas desligadas.
Figura 9: Resposta onde uma lâmpada estava desligada.
Fonte: autores, 2023.
Na resposta anterior, apresentamos os valores da tensão a cada intervalo de 1 milissegundo juntamente com a corrente. No entanto, observa-se que não havendo corrente real fluindo, isso sugere que a lâmpada está desligada, conforme evidenciado na imagem da figura 8.
Cenário 2: Lâmpada Ligada
Figura 10: Resposta onde uma lâmpada estava ligada
Fonte: autores, 2023.
Na situação em que a lâmpada está ligada, é crucial observar a variação dos valores de tensão e corrente. À medida que a corrente flui para a lâmpada, notam-se as mudanças na tensão e na corrente em intervalos de 1 milissegundo. Isso contrasta com o cenário anterior em que a lâmpada estava desligada, evidenciando a interação dinâmica entre a tensão e a corrente quando um dispositivo elétrico está em funcionamento. A figura 9 ilustra essa condição em que a lâmpada está acesa, com os valores de tensão e corrente correspondentes sendo monitorados ao longo do tempo.
Cenário 3: 2 Lâmpadas Ligadas mostrando a potência (em W) utilizada.
Figura 11: 2 Lâmpadas Ligadas mostrando a potência (em watts) utilizada.
Fonte: autores, 2023.
No cenário em que duas lâmpadas estão ligadas, faz-se necessário observar não apenas a variação da tensão e da corrente, mas também calcular a potência total utilizada. A potência é medida em watts (W) e pode ser obtida multiplicando-se o valor instantâneo da tensão pelo valor instantâneo da corrente em cada ponto no tempo.
Cenário 3: 2 Lâmpadas Ligadas mostrando a potência (em W) utilizada.
Figura 12: 3 Lâmpadas Ligadas mostrando a potência (em watts) utilizada.
Fonte: autores, 2023.
E como terceiro cenário tem-se 3 lâmpadas ligadas e o valor de sua potência variando com o passar do tempo.
Para fazer o controle de chaveamento, fizemos um protótipo virtual no WOKWI com o ESP32 e um Relé como mostrado da figura 12.
Figura 13: Protótipo do controle de chaveamento com ESP32 e Relé
Fonte: autores, 2023
A prática de usar um simulador para exibir uma lâmpada acesa, que é desligada quando um sinal é enviado para um dispositivo ESP32, permitindo que outra lâmpada seja acionada, demonstra eficazmente a transmissão de sinal e a capacidade de resposta do ESP32.
5 CONSIDERAÇÕES FINAL
O projeto apresentado neste artigo desempenha um papel fundamental na vanguarda da Engenharia de Computação, destacando sua capacidade de revolucionar a eficiência energética e promover a evolução das residências em ambientes mais inteligentes. Ao unir a precisão do Arduino na medição do consumo energético em tempo real e a versatilidade do ESP32 no controle de dispositivos, este sistema oferece uma solução completa para que os usuários monitorem e gerenciem seu consumo de eletricidade com facilidade.
A coleta de informações detalhadas sobre a eficiência energética capacita os usuários a tomarem medidas proativas para a redução de custos e minimização de impactos ambientais. A funcionalidade do ESP32, permitindo o controle remoto dos dispositivos elétricos e sistemas residenciais, oferece comodidade e flexibilidade sem precedentes, contribuindo, assim, para uma gestão eficaz da energia.
No entanto, o impacto deste projeto transcende o domínio técnico, sinalizando um futuro em que a tecnologia tem um papel central na criação de ambientes residenciais sustentáveis e energeticamente eficientes. Ao aplicar essas inovações no dia a dia, visualiza-se a pavimentação do caminho para um futuro mais sustentável e tecnologicamente avançado, no qual as casas tornam-se não apenas mais inteligentes, como também aliadas na busca por eficiência e responsabilidade ambiental.
Este projeto serve como um lembrete de que a Engenharia de Computação não se limita apenas à tecnologia; Ela está na vanguarda das mudanças que moldam nosso mundo e nosso futuro.
REFERÊNCIAS
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ULRICH, K. T.; EPPINGER, S.D. Product Design and Development. 4ª ed. Asia, McGraw-Hill international edition, 2008.
1Graduando em Engenharia da Computação
Instituição: Faculdade Metropolitana de Manaus (FAMETRO)
Endereço: Av. Constantino Nery, 3000 – Chapada, Manaus – AM, 69050-000
E-mail: devthiagosoares@gmail.com
2Graduando em Engenharia da Computação
Instituição: Faculdade Metropolitana de Manaus (FAMETRO)
Endereço: Av. Constantino Nery, 3000 – Chapada, Manaus – AM, 69050-000
E-mail: italopedroza21@gmail.com
3Graduando em Engenharia da Computação
Instituição: Faculdade Metropolitana de Manaus (FAMETRO)
Endereço: Av. Constantino Nery, 3000 – Chapada, Manaus – AM, 69050-000
E-mail: coeng.daniel@gmail.com
4Graduado em Análise e desenvolvimento de Sistemas.
Instituição:UNIP EAD POLO SÃO GERALDO
Endereço: Av. Álvaro Maia, 289 – São Geraldo – Manaus – AM, 69053-350
E-mail: thiago.dellarmelina@gmail.com
5Mestrado em Informática (Segurança de Sistemas)
Instituição: Universidade Federal do Amazonas (UFAM)
Endereço: Av. General Rodrigo Octávio Jordão Ramos, 1200 – Coroado I, Manaus -AM, 69067-005
E-mail: pabloelleres22@gmail.com