BlueEnergy: Sistema de controle, monitoramento e previsão de consumo de energia elétrica baseado em PSO Matias Romário P. dos Santos1, Raimundo P. da C. Neto2, Taisa Alves Ferreira3 1
Universidade Federal do Ceará Departamento de Computação, Fortaleza,CE - Brasil 2
Estácio | CEUT Coordenação de Ciência da Computação, Teresina,PI - Brasil 3
Universidade Federal do Piauí (UFPI) Departamento de Computação, Teresina,PI - Brasil. {
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Resumo. Automação residencial (Domótica) vem se tornando uma ferramenta fundamental de auxílio em atividades nos mais diversos ambientes residenciais. Economizar e prevê os gastos com energia elétrica é uma tarefa importante, pois possibilita a diminuição de gastos excessivos e análise dos equipamentos que mais tem consumido. A domótica é baseada em vários princípios, como conforto, economia, segurança, etc. Baseado nessa concepção, estre trabalho trata por apresentar o desenvolvimento e a aplicação de um sistema que permite o monitoramento de energia elétrica residencial com o uso de equipamentos remotos, e que após a coleta dos dados, realiza a predição do consumo através do uso do PSO.
1. Introdução Existe uma grande preocupação mundial com o consumo de energia elétrica dos equipamentos eletroeletrônicos, e com o uso racional e consciente da energia, para poupar os recursos do planeta e reduzir o desperdício de energia (Beretta, 2006). Com isto, surgiram novas políticas e diretrizes, tanto para as empresas fabricantes de equipamentos quanto para seus consumidores (EPE, 2015), que cada vez mais são motivados a prestar atenção ao consumo de seus equipamentos. Atualmente existe um grande problema que é a questão da escassez de recursos energéticos, a crise hídrica e consequentemente crise energética, visto que no Brasil as hidrelétricas produzem 95% da energia elétrica consumida, causaram constantes aumentos no preço da energia, então neste momento as pessoas estão se conscientizando e procurando meios que ajude a diminuir o consumo. Uma alternativa, é ter o controle do gasto energético de cada um de seus equipamentos eletrônicos, e então procurar formas de reduzir esse consumo (EPE, 2015), (Tundisi,2008). O consumidor brasileiro só pode acompanhar e verificar o consumo de energia elétrica de seus equipamentos pelos medidores eletrônicos ou digitais fornecidos pela concessionaria de energia. Os medidores fornecidos apresentam muitas informações que são desconhecidas pelo usuário, o que dificulta na interação do usuário com o dispositivo. Nesse contexto viu-se a necessidade de um produto para acompanhar o consumo de energia elétrica mais intuitivo ao usuário, que proporcione mais conforto e melhor interação com o usuário. A automação residencial mais conhecida como Domótica veio para ajudar na produção de sistemas computacionais que automatizem as tarefas rotineiras dentro do
ambiente residencial. O termo domótica vem da junção do latim domus (casa) e robótica e é uma tecnologia que permite executar rotinas e tarefas de uma residência de forma automatizada, utilizando equipamentos eletrônicos, facilitando assim a vida das pessoas proporcionando conforto, segurança, praticidade, comodidade (Giorgetti et.al, 2008). A ideia deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de automação residencial que seja simples para o usuário, de baixo custo, com o objetivo de monitorar o consumo de energia elétrica de uma residência e que o usuário possa acompanhar o gasto da residência em tempo real e também ter previsões do gasto energético. Além da automação residencial será utilizado o Arduíno que é um pequeno circuito eletrônico (placa) com um microcontrolador acoplado cuja função é controlar outros dispositivos eletrônicos e sensores. 2. PSO e Arquitetura do Sistema Proposto A figura a seguir apresenta a arquitetura do modelo proposto, na forma de diagrama de blocos.
Figura 1. Arquitetura do Modelo.
Por meio dos blocos e seus relacionamentos visualiza-se o fluxo da informação e como cada subsistema está relacionado. Os blocos mostrados na arquitetura são muito importantes para o desenvolvimento do sistema, a seguir será detalhada cada bloco: Dispositivo Coletor: dispositivo computacional responsável por fazer o monitoramento em tempo real dos processos no ambiente. Sua principal função captar informações do ambiente e converter essas informações em grandezas elétricas e então transmitir este resultado para o micro controlador; Micro controlador: dispositivo eletrônico, responsável por gerenciar todas as entradas e saídas de informações. Ele irá controlar o dispositivo coletor recebendo as informações sobre o ambiente. Servidor: esse termo é comumente utilizado na área da computação para indicar um dispositivo computacional responsável pelo fornecimento de serviços para outros dispositivos. Sua principal função é responder as requisições dos dispositivos clientes, neste caso ele irá receber as informações enviadas pelo micro controlador. Dispositivo Computacional: dispositivo computacional utilizado para exibição e apresentação dos dados, responsável por requisitar dados ao servidor e após o retorno das informações, gerenciar o resultado exibindo essas informações de forma simples e intuitiva ao usuário. O algoritmo PSO (Particle Swarm Optimization) é uma técnica de computação baseada em inteligência de enxames que não é bastante influenciado pelo tamanho do problema, pode convergir como solução ótima em muitos problemas, onde a maioria dos métodos analíticos não obtém. Portanto, pode ser aplicada a diferentes problemas de otimização em sistemas computacionais tendo algumas vantagens sobre as outras técnicas de otimização como fácil de implementação por ter poucos parâmetros para ajustar. O PSO é um algoritmo inicializado com um grupo randômico de partículas (soluções), que então, tentam encontrar a ótima através da evolução de sua futura geração. Em cada interação, cada partícula recebe atualização através de dois valores “melhores”.
A primeira é o melhor valor até o tempo t, esse valor é chamado “pbest” e o outro é melhor valor do enxame chamado de melhor global “gbest” (Valle et.al,2008). A base matemática do PSO é apresentada a seguir: vi (k + 1) = vi(k) + G1i (p - xi(k)) + G2i (G - xi(k)) e para encontrar a posição utiliza-se: xi(k + 1) = xi(k) + v(k + 1) i particular indexada k tempo indexado v velocidade da particula x posição da particula p melhor posição encontrada pela particula (pbest) G melhor posição encontrada pelo enxame (gbest) 3. Sistema Proposto e Prototipação O projeto proposto busca a implementação de um sistema capaz de monitorar e calcular o consumo de energia elétrica da residência completa e de cada dispositivo eletrônico do ambiente, a fim de conscientizar o usuário sobre os gastos e consequentemente reduzir o gasto supérfluo de energia elétrica. Após ter sido feita uma análise sobre os principais produtos similares existentes no mercado, observando suas vantagens e deficiências, foram então identificados e propostos os seguintes requisitos para o sistema: preço competitivo em relação aos similares; instalação simples; software simples e intuitivo; integração com outros sistemas de automação residencial; funcionamento de rede elétrica de 110 V e 220 V; fornece analise do consumo de energia ao usuário. 3.1 Circuito Eletrônico Para o desenvolvimento do sistema, foi utilizado o arduíno uno, dois resistores de 470 kΩ, e um resistor de 33 Ω, um capacitor de 10uF, um sensor de corrente SCT-013-100 (capaz de ler uma corrente variando de 0A a 100A de forma não invasiva) e shield wifi ESP8266 que foi escolhido pela sua capacidade de conexão com Wi-Fi em frequência de 2.4GHz com suporte a WPA e WPA2, suporte aos protocolos 802.11 b/g/n, alcance da rede de aproximado 91 metros. A figura apresenta o design do circuito implementado.
Figura 2. Design do circuito implementado.
3.2 .Sistema Web O sistema web fica em um servidor interno ou hospedado na web, e os dispositivos computacionais se conectam a um servidor para requisitar informações, então o servidor busca as informações no Arduíno que estará conectado pela rede Wi-Fi. Atualmente quase todas as residências possuem redes Wi-Fi para conexão dos diversos dispositivos e compartilhamento da internet. Na figura seguinte apresenta-se a arquitetura de como os dispositivos estarão conectados e se comunicando com o servidor web.
Figura 3. Arquitetura de funcionamento dos dispositivos conectados.
A aplicação web foi desenvolvida utilizando a linguagem Java, juntamente com o framework de desenvolvimento Primefaces com intuito de desenvolver uma aplicação responsiva e que já inclui suporte a gráficos. A principal funcionalidade da aplicação web é a apresentação detalhada das informações do consumo de energia da residência, também será feito o cadastro da casa e dos dispositivos existentes na mesma. 4. Componentes do Projeto e Testes Para este trabalho foi feito um protótipo que será usado como base para o sistema, e será apresentado os principais componentes lógicos e físicos que compõe o protótipo. Na tabela 1 é exibido os principais componentes utilizados no projeto. Componentes Físicos Componentes Lógicos Sensor de Corrente Algoritmo (Sketch) Resistores Servidor Aplicações Capacitor Algoritmo PSO Arduíno Shields WIFI Tabela 1. Componentes do sistema.
A utilização da aplicação é simples, o usuário deve fixar o sensor de corrente ao cabo de alimentação de algum dispositivo eletrônico, depois disso de acordo com o algoritmo que foi criado e gravado na memória do Arduíno, vai ser identificado a corrente total em Amperes passada para o dispositivo naquele momento e sua potência em watts, depois essas informações são enviadas para o servidor, e a partir daí são feitos os cálculos e gerado os gráficos do consumo e do total a ser pago. As medições eram realizadas a cada 2 minuto e enviadas para o protótipo de medição e recebidos pelo sistema web, para proporcionar um acompanhamento em tempo real das informações por parte do usuário. Para calcular o consumo diário de energia em (KWh) de um equipamento de acordo com o seu tempo de uso, é necessário saber a potência do mesmo e fazer o seguinte cálculo: (Potência (W) x Nº de horas utilizadas) / 1.000 Para calcular o consumo mensal de energia (KWh) de um equipamento de acordo com o seu tempo de uso, usa-se as formula: Consumo diário x Nº de dias de uso ao mês ou ( Potência (W) x Nº de horas utilizadas x Nº de dias de uso ao mês ) / 1.000 Depois para calcular o custo mensal em reais é só multiplicar o consumo médio em KWH pelo valor da tarifa cobrada pela concessionaria local. Nos testes a seguir o cálculo do custo mensal foi realizado baseado no valor da tarifa da concessionária piauiense, cujo valor é R$ 0,65. Na tabela 2 temos os resultados dos cenários de testes, ela apresenta as informações para cada cenário de teste. Amostra Cenário 1 Cenário 2 Cenário 3 Dispositivo eletrônico Ventilador Notebook Televisor Consumo energético total para 4,6KWh 3,26 KWh 15,24 KWh conjunto de medições Gasto por período de tempo R$ 2,99 / 2h R$ 2,11 / 2h R$ 9,90 / 24h
Média do conjunto de leituras Consumo diário estimando 8 horas de uso Consumo mensal Gasto mensal
49W
26,57 W
33,50W
0,392 KWh
0,212 KWh
0,268 KWh
11,76 KWh R$ 7,644
6,37 KWh R$ 4,14
8,04KWh R$ 5,22
Tabela 2: informações obtidas nos cenários de teste.
No cenário de teste 1 foi realizado com um ventilador Arno, com potência estipulado pelo fabricante de 50W, conectado a uma tomada com rede de 220V e em umas das fases do cabo de alimentação foi colocado o sensor de corrente não invasivo de 100A. As informações obtidas sobre este cenário foi apresentada na tabela 2 na coluna cenário 1. O cenário de teste 2 foi realizado com notebook de marca Win com potência de 40W especificada pelo fabricante, que estava conectado em uma rede de 220V através da fonte do notebook e em umas das fases da fonte foi plugado o sensor. As informações desse cenário foram apresentadas na tabela 2 na coluna cenário 2. Vale ressaltar que o gasto energético do notebook varia de acordo com o uso por exemplo atividades que exigem mais processamento como jogos consumiram mais energia e também existe uma bateria interna logo a fonte do notebook é usada para carregar esta bateria, então quando a bateria estiver cheia a corrente que passara pela fonte se tornara menor. Para o cenário 3 foi utilizado um televisor conectado a uma tomada de rede de 220V e sensor de corrente foi plugado em uma das fases do cabo de alimentação e as informações obtidas foram apresentadas na tabela 2 na coluna do cenário 3. Observou-se que um televisor mesmo quando desligado o consumo de energia ocorria na faixa 26W. 5. Resultados Usando o framework Primefaces é possível apresentar as informações para usuário de forma intuitiva, esta ferramenta fornece todos os recursos necessários para desenvolvimento de telas e gráficos. Usando ele foi feito um gráfico de torta para apresentar a potência acumulada durante o dia, ou mês ou total dos dispositivos. Na figura a seguir, é apresentado o gráfico fornecido pelo sistema web sobre a potência acumulada durante um dia, dados obtidos nos experimentos.
Figura 4. Resultados em Forma de gráficos Pizza
Usando o algoritmo foi gerado o gráfico que mostra as potências máximas dos dispositivos. A partir disso utilizando o valor máximo do consumo diário obtém-se o a previsão do consumo máximo mensal.
Figura 5. Gráfico de consumo máximo das residências por dia
Na figura anterior, é apresentado um gráfico retirado do sistema com a potência máxima dos dispositivos. A partir desse gráfico que é exibido ao usuário calcula-se a somas das potencias dos dispositivos, com o conjunto de soma das potencias máximas obtém-se a soma máxima dos dispositivos, neste caso seria 205,10 W e previsão para o final do mês que seria 6,15 KWH. 6. Conclusão O presente trabalho desenvolvido teve como motivação a resolução do problema que é o acompanhamento mais detalhado e em tempo real do consumo da energia elétrica consumida nas residências. Para a resolução desse problema foi desenvolvido um protótipo de medição de energia elétrica que fornece aos usuários da residência informações detalhadas do consumo e o total de sua conta onde quer que ele esteja, sendo necessário apenas conexão com a internet. Os testes realizados mostraram que mesmo com algumas limitações o protótipo funcionou dentro do esperado, medindo a corrente elétrica que era transmitida para o equipamento elétrico por meio de um sensor de corrente não invasivo de 100A, que enviava os valores da corrente para o Arduíno, que em seguida por meio da Shield Wi-Fi enviava essas informações para o servidor local. 7. Referências Beretta, G. P., “World Energy Consumption And Resources: An Outlook For The Rest Of The Century". Dipartimento di Ingegneria Meccanica Universit`a di Brescia, via Branze 38. 2006 EPE., “Balanço Energético Nacional 2015, Relatório Final”. 2015. acessado em: https://ben.epe.gov.br/downloads/Relatorio_Final_BEN_2015.pdf Tundisi, J. G., “Recursos hídricos no futuro: problemas e soluções”. 2008. Scielo, acessado em: http://www.scielo.br/pdf/ea/v22n63/v22n63a02.pdf G. Giorgetti, E. Gambi, S. Spinsante, M. Baldi, S. Morichetti and I. Magnifico, "An integrated solution for home automation Consumer Electronics”. 2008. ISCE 2008. IEEE International Symposium, on Vilamoura, 2008, pp. 1-4. doi: 10.1109/ISCE.2008.4559461. Y. del Valle, G. K. Venayagamoorthy, S. Mohagheghi, J. C. Hernandez and R. G. Harley. "Particle Swarm Optimization: Basic Concepts, Variants and Applications in Power Systems".2008. in IEEE Transactions on Evolutionary Computation, vol. 12, no. 2, pp. 171195. doi: 10.1109/TEVC.2007.896686
