Arquitetura de dispositivos em rede para medição elétrica não invasiva e monitoramento do consumo de energia

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ARQUITETURA DE DISPOSITIVOS EM REDE PARA MEDIÇÃO ELÉTRICA NÃO INVASIVA E MONITORAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ELON C. P. HARA, RAFAEL B. B. CARVALHO, MARCOS T. KOIZUMI, TIAGO R. V. COELHO, FERNANDO C. CASTALDO Laboratório de Pesquisas e Desenvolvimento, DAELN, Universidade Tecnológica Federal do Paraná Av.Sete de Setembro 3165 Rebouças CEP 80230-901 - Curitiba - PR E-mails: elon.hara@gmail.com,rcarvalho@ute.com.br, marcos.koizumi@gmail.com, ecomptiago@hotmail.com, castaldo@utfpr.edu.br

Abstract This paper presents an R & D project, funded by the North Fluminense / Aneel, of a system to monitor energetic efficiency into internal sectors of environments industrial, commercial or domestic. The monitoring system is composed of: sensors modules connected to a serial communication bus;manager module that gathers data from sensors and sends by radio frequency; a coordinator module that receives data pooled from several managers and transfers to the database. The Manager and coordinators can exchange messages by radio antennas MRF24J40MB (range 121 meters) and MRF24J40MA (range 1210 meters) operating in the 2.4 GHz band. At the application layer protocol MiWi P2P (Microchip), havebeen created routing methods allowing to set network nodes in tree or mesh topologies. Compared to usual solutions based on wireless sensor networks with Zigbee protocol, the hybrid network topology and the MiWi P2P protocol allows measurements in environments with restrictions on radio link, simplifies the hardware and reduces the transceiver antennas. The grouping of data in manager’s modulesallows a reduced exchange of messages, increased throughput of payload per packet and infrastructure reliability. Keywords Power Monitoring Systems, Energy Efficiency, Network Topologies, WSN (Wireless Sensor Network), Radio Frequency Transceivers, Communication Protocols, Electrical Measurements Instrumentation. Resumo Este artigo apresenta um projeto de P&D, financiando pela NorteFluminense/Aneel, de um sistema monitor de eficiência energética para setores internos de instalações industriais, comerciais ou domésticas, visando à redução do consumo de energia elétrica nestes ambientes. O sistema é composto por: módulos sensores para medições não invasivas interligados em um barramento de comunicação serial; módulos gerentes que agrupam dados coletados em vetores; um módulo coordenador querecebe os vetores de vários gerentes e transfere a um banco de dados. Os módulos gerentes e coordenadores usam os transceptores de rádio frequência MRF24J40MA (alcance de 121 metros) ou MRF24J40MB (alcance de 1210 metros) que atuam na banda de 2.4 GHz. Foram criados métodos de roteamento na camada de aplicação do protocolo Miwi P2P que permitem arranjar os nós de rede em topologias de árvore oumalha sem empregar protocolos complexos como o Zigbee. A topologia híbrida de rede permite medições multipontos em ambientes com restrição ao radioenlace, simplifica o hardware, reduz o número de antenas transceptoras na rede e também custo por módulo sensor. O agrupamento de dados reduz a troca de mensagens, aumenta a taxa de transferência de dados úteis por pacote e a confiabilidade dainfraestrutura. Palavras-chave Sistema de Monitoramento de Consumo, Eficiência Energética, Topologias de Rede, RSSF (Redes de Sensores Sem Fio), Transceptores de Radiofrequência, Protocolos de Comunicação, Instrumentos de Medição Elétrica.

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Introdução

Redes de instrumentos remotos para medição elétrica têm sido desenvolvidas desde os anos 70. Em 1972 um sistema de coleta de dados que recebia sinaisde alarmes para incêndios e invasão a domicílio, controlava cargas remotas e recebia leituras de medidores de energia, gás e água (Paraskevaskos, 1972). Em 1975, outro sistema de monitoramento e controle, também previa a transferência de dados para uma central por uma linha telefônica. Na época já havia interesse na transmissão por rádio frequência, inviabilizada pelo alto custo e baixa...
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