Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Relatório Técnico-científico do

Projeto

“SISTEMA PARA REALIZAÇÃO DA

LEITURA DA CONTAGEM DOS

CONSUMOS DE ENERGIA

ELÉTRICA” Projeto Nº 5747

1

2

Índice

1. ENQUADRAMENTO ............................................................................................3

2. OBJETIVOS ........................................................................................................5

PREVISTOS ..............................................................................................................................5

REALIZADOS ............................................................................................................................5

3. TAREFAS REALIZADAS ......................................................................................6

PREVISTAS ..............................................................................................................................6

REALIZADAS ............................................................................................................................6

4. RESULTADOS .....................................................................................................8

5. IMPACTO DO PROJETO NA EMPRESA ............................................................ 12

3

1. Enquadramento

Os processos para medição (contagem) do consumo de energia elétrica têm sofrido uma

forte evolução ao longo dos tempos. A EDP (Energias de Portugal; antiga denominação

Electricidade de Portugal) foi a primeira empresa a possuir uma rede de distribuição de

energia elétrica no país, e para medir o consumo dos seus clientes instalou ao longo dos

seus anos de atividade no mercado energético diferentes tipos de contadores. Ainda hoje se

encontram instalados e em funcionamento contadores do tipo Eletromecânico, Estático e

Híbrido.

Como é sabido, grande parte dos contadores instalados (e a funcionar) não possuem

sistemas que permitam a “telecontagem”. Por outro lado, muitos destes contadores

encontram-se instalados em locais (ou espaços) interiores às moradias (como por exemplo,

vivendas, apartamentos, entre outros), onde o funcionário contratado para efetuar a

contagem não tem acesso fácil. Por outras palavras, o contador não se encontra instalado

num local de fácil acesso e que permita a leitura, por inspeção visual, deste funcionário.

Nestas condições, a alternativa consiste em combinar com o cliente um dia, e um período

desse dia, para que o funcionário possa efetuar a leitura. Geralmente, esse período do dia é

um intervalo com uma duração superior a duas ou mais horas (tipicamente correspondente

a uma manhã ou uma tarde). Acontece ainda muitas vezes que, por diversos motivos, tanto

da parte do cliente como da parte do funcionário surgem imprevistos que impossibilitam a

efetivação da contagem e o processo de agendamento para leitura da contagem tem que se

repetir. Como estas situações se têm vindo a tornar cada vez mais frequentes, está previsto

na lei a possibilidade de aplicação de coimas, tanto para a parte do cliente como para a

parte do fornecedor do serviço.

A alternativa atualmente possível (pelo menos do ponto de vista técnico) é alterar a

“baixada”; deslocar o contador para um local de fácil acesso. Esta segunda opção é

bastante dispendiosa e requer, geralmente, uma intervenção técnica de alguma monta.

Estimasse que sejam necessários tipicamente cerca de 500 euros só para a concretização

da parte elétrica, excluindo eventuais obras de construção civil. Como se pode concluir, esta

alternativa, apesar de tecnicamente válida, é inviável do ponto de vista económico.

4

Com a concretização deste projeto pretende-se desenvolver um protótipo de um sistema

que permita a realização da leitura da contagem dos consumos de energia elétrica, sem a

necessidade de presença do cliente. O sistema é constituído por dois módulos: “dispositivo

leitor” e “dispositivo mostrador”. O cliente coloca junto ao seu atual contador o “dispositivo

leitor” e num local de fácil acesso a pessoal credenciado pelo seu fornecedor de energia

elétrica o “dispositivo mostrador”. O “dispositivo leitor” comunica para o “dispositivo

mostrador”, sem fios, os valores do consumo de energia.

O principal objetivo do projeto da Magalhães & Ca Lda é pois o desenvolvimento de um

protótipo de um sistema que permita a realização da leitura da contagem dos consumos de

energia elétrica, sem a necessidade de presença física do cliente.

O sistema deverá possuir as seguintes características principais:

1. Compacto e integrado, onde a inteligência e funcionalidades residem num pacote de

hardware e software embebido que permitam fazer frente aos mais exigentes critérios de

controlo, numa relação preço/funcionalidades que pretende ser imbatível;

2. Fácil de instalar (tendencialmente do tipo “faça você mesmo”, em que as necessárias

qualificações técnicas sejam mínimas);

3. Preço reduzido

A Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, através do seu Departamento de

Engenharias, Escola de Ciências e Tecnologia, apoiou a empresa Glegoo Lda na

implementação de estratégias que permitem a manutenção da empresa como uma empresa

competitiva no mercado e o alcançar das metas definidas.

5

2. Objetivos

2.1 Previstos

Foi identificado como objetivo principal do projeto o desenvolvimento de um dispositivo

eletrónico (hardware e software), compacto, leve e robusto, que permita a realização da

leitura da contagem dos consumos de energia elétrica, sem a necessidade de presença do

cliente. O sistema é constituído por dois módulos:

• “dispositivo leitor”

• “dispositivo mostrador”.

O cliente coloca junto ao seu atual contador o “dispositivo leitor” e num local de fácil acesso

a pessoal credenciado pelo seu fornecedor de energia elétrica o “dispositivo mostrador”. O

“dispositivo leitor” comunica para o “dispositivo mostrador”, sem fios, os valores do consumo

de energia.

O sistema deverá possuir as seguintes características principais:

1. Compacto e integrado, onde a inteligência e funcionalidades residem num pacote de

hardware e software embebido que permitam fazer frente aos mais exigentes critérios de

controlo, numa relação preço/funcionalidades que pretende ser imbatível;

2. Fácil de instalar (tendencialmente do tipo “faça você mesmo”, em que as necessárias

qualificações técnicas sejam mínimas);

3. Preço reduzido.

2.2 Realizados

Os objetivos previstos e enumerados na secção anterior foram integralmente alcançados.

6

3. Tarefasrealizadas

3.1 Previstas

No momento da candidatura definimos as seguintes atividades principais para este projeto:

• T0 – Coordenação e acompanhamento. A execução desta tarefa será da

responsabilidade conjunta das equipas da UTAD e da Magalhães & Ca Lda.

Pretende desenvolver-se as atividades de coordenação e respetivo

acompanhamento das diferentes atividades que visem a execução com sucesso de

todo o projeto.

• T1 – Desenvolvimento e integração dos componentes de hardware. A execução

desta tarefa será da responsabilidade da equipa da UTAD. Pretende desenvolver-se

e integrar os diferentes componentes e módulos de hardware que irão constituir o

sistema.

• T2 – Desenvolvimento do sistema operativo embebido e restantes componentes de

software. A execução desta tarefa será da responsabilidade da equipa da UTAD.

Pretende desenvolver-se todo o software de suporte ao hardware (sistema operativo

embebido) e ao utilizador final do sistema.

• T3 – Testes e validação. A execução desta tarefa será da responsabilidade conjunta

das equipas da UTAD e da Magalhães & Ca Lda. Nesta tarefa serão desenvolvidos

todos os testes de verificação de funcionamento e funcionalidades do produto final,

bem com da sua robustez e fiabilidade.

• T4 – Elaboração da Documentação. A execução desta tarefa será da

responsabilidade da equipa da UTAD. Pretende escrever-se todos os documentos

(manuais e/ou flyers) que conduzam à correta instalação e utilização do sistema de

localização.

• T5 – Escrita do relatório final. A execução desta tarefa será da responsabilidade

conjunta das equipas da UTAD e da Magalhães & Ca Lda. Pretende elaborar-se o

relatório final de execução física e financeira do projeto.

3.2 Realizadas

De forma resumida podemos afirmar que foram realizadas as tarefas previstas. As mesmas

foram efetuadas em conjunto com todos os responsáveis, foi feita uma reflexão sobre os

processos definidos, com o objetivo de identificar aspetos de melhoria.

7

Relativamente à tarefa T4 (Elaboração da Documentação), muito cedo na execução do

projeto foi reconhecido por ambas as equipas (da Empresa e da UTAD) que não seria

necessário o desenvolvimento de qualquer manual de utilização, se o processo de

configuração e reconfiguração do dispositivo fosse efetuado com recurso a aplicações de

software com interfaces intuitivas e de simples utilização. Assim, optou-se por desenvolver

aplicações de configuração e reconfiguração com estas características.

8

4. Resultados

4.1 Métodos e Materiais

Tendo como ponto de partida os objetivos traçados para o projeto foram escolhidos os

seguintes componentes principais para a primeira versão do dispositivo/módulo "leitor":

• Câmera - JPEG Camera C328-7640 da COMedia Ltd:

o Dimensões – 20,0 x 28,0 x 11,0 (mm);

o Resolução – VGA, QVGA e CIF;

o Interface – UART;

• Transceiver RF – O transceiver utilizado foi escolhido tendo em conta,

essencialmente a distância de transmissão e largura de banda, de forma a adequar-

se às necessidades operativas do produto. Desta forma o módulo permite-nos

realizar uma comunicação bidirecional, possibilitando a transmissão de dados,

imagem e vídeo entre dois pontos. Foi utilizado o módulo HM-TRPW da HOPERF

com as seguintes características principais:

o Dimensões – 16,0 x 20,0 x 2,0 (mm);

o Modulação – FSK;

o Frequência – 868 Mhz;

o Distância de transmissão – até 1Km;

o Largura de Banda – 1.2kbps - 115.2kbps.

• Antena – Antena flexível com extensão e conector SMA.

• Microcontrolador – O MCU utilizado (PIC32MM0064) foi escolhido tendo em conta,

essencialmente, o consumo de energia, dimensões reduzidas e a presença de

periféricos importantes ao dispositivo:

o Tensão de alimentação – 2,0 – 3,6 V;

o Consumo em Sleep – até 5,0 µA;

o 2 UART;

• Bateria – Para fornecer a energia necessária ao funcionamento do dispositivo é

necessário um reservatório de energia elétrica. Foi escolhida uma bateria de

tecnologia Lithium. Como ponto de partida a capacidade da bateria a utilizar é de 750

mAh.

9

• Componentes passivos – Foram utilizados condensadores e resistências SMD de

dimensão 0603.

O dispositivo/módulo "mostrador" possui os seguintes componentes principais:

• Transceiver RF – O transceiver utilizado foi escolhido tendo em conta,

essencialmente a distância de transmissão e largura de banda, de forma a adequar-

se às necessidades operativas do produto. Desta forma o módulo permite-nos

realizar uma comunicação bidirecional, possibilitando a transmissão de dados,

imagem e vídeo entre dois pontos. Foi utilizado o módulo HM-TRPW da HOPERF

com as seguintes características principais:

o Dimensões – 16,0 x 20,0 x 2,0 (mm);

o Modulação – FSK;

o Frequência – 868 Mhz;

o Distância de transmissão – até 1Km;

o Largura de Banda – 1.2kbps - 115.2kbps.

• Antena – Antena flexível com extensão e conector SMA.

• USB to UART Bridge – De forma a realizar a comunicação entre o dispositivo móvel

e o transcrever, foi utilizada a bridge CP2102, que nos permite fazer uma interface

direta entra o USB do dispositivo e o transceiver.

• Componentes passivos – Foram utilizados condensadores e resistências SMD de

dimensão 0603.

Na Figura 1 apresenta-se o esquemático geral do protótipo desenvolvido.

Figura 1 – Esquemático global do protótipo desenvolvido: (esquerda) dispositivo/módulo “leitor”;

(direita) dispositivo/módulo “mostrador”.

10

Na Figura 2 apresentam-se os mesmos esquemáticos para os módulos “leitor” e

“mostrador”, com o objetivo de ilustrar a forma como ambos funcionam. Como se depreende

da observação da figura, o módulo “leitor” usa a câmara fotográfica interna para captar uma

fotografia ao leitor do contador de energia e enviá-la, recorrendo a comunicações sem fios,

para o módulo “mostrador” que se encontra acoplado ao um “smartphone”. O “smartphone”

recebe do módulo que lhe está acoplado a fotografia e apresenta-a no seu écran, podendo o

funcionário visualizar o valor que o contador apresenta e assim efetuar a contagem.

Figura 2 – Ilustração geral do funcionamento do protótipo desenvolvido: (esquerda) dispositivo/módulo

“leitor”; (direita) dispositivo/módulo “mostrador”.

Na Figura 3 apresenta-se um vista 3D do dispositivo “leitor”. Como pode ser observado, as

dimensões totais do dispositivo são de 49,95 x 37,8 (mm).

Figura 3 – Ilustração 3D geral do protótipo desenvolvido: (esquerda) parte superior do

dispositivo/módulo “leitor”; (direita) parte inferior do dispositivo/módulo “leitor”.

11

A Figura 4 apresenta uma ilustração da placa PCB do dispositivo “leitor” com dimensões de

49,95 x 37,8 (mm).

Figura 4 – Ilustração da placa PCB do dispositivo/módulo “leitor”.

Os esquemas de ligações elétricas do dispositivo/módulo “leitor” são apresentados na

integra no apêndice a este documento.

12

5. Impactodoprojetonaempresae

EnvolvimentodoPromotor

De forma perentória podemos afirmar que a empresa Magalhães & Ca Lda esteve envolvida

no projeto. Houve um bom acolhimento da equipa da UTAD por parte da empresa e, de

forma global, disponibilizaram-nos todos os meios necessários ao bom desenvolvimento do

projeto, bem como, no auxílio em todas as questões de carácter mais técnico.

A administração da empresa foi essencial no desenvolvimento do projeto, tendo sido através

da sua participação que o processo surtiu os resultados finais.

O dispositivo protótipo encontra-se totalmente desenvolvido e testado e pronto a poder ser

comercializado pela empresa.

Resta-nos agradecer à empresa Magalhães & Ca Lda a forma excecional como nos

receberam durante este período e demonstrar a N/ disponibilidade para os apoiar no que

considerarem oportuno.

O responsável técnico

_________________________________________________

(Manuel Cabral Reis, Prof. Associado c/ Agregação, UTAD)

13

Apendice: Esquemas de ligaçoes

eletricas dos modulos do prototipo

desenvolvido

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A3

Date: 29-Nov-16 Sheet ofFile: C:\Users\..\Camera.SchDoc Drawn By:

VCC1

TxD2

RxD3

GND4

U5

C328-7640

GND

+3.3V

CAM_DTXCAM_DRX

470R10

Q1MMUN2214L

GND

FLASH_LIGHT_CTL

VBAT

Q2Si2333CDS

20kR7

CAM_EN

100nFC7

GND

CTX CRX

12

P1

Header 2

PIC701

PIC702COC7

PICRX01

COCRX

PICTX01

COCTX

PIP101

PIP102

COP1

PIQ101

PIQ102

PIQ103COQ1

PIQ201

PIQ202 PIQ203

COQ2

PIR701

PIR702COR7

PIR1001

PIR1002

COR10

PIU501

PIU502

PIU503

PIU504

COU5

PIQ202

PIR702PIC701

PIQ102

PIU504

PIC702PIQ203

PIU501

PICRX01

PIU503POCAM0DRX

PICTX01

PIU502POCAM0DTX

PIP101

PIR1001

PIQ101POFLASH0LIGHT0CTL

PIQ103PIR1002

PIQ201

PIR701POCAM0EN

PIP102

POCAM0DRXPOCAM0DTXPOCAM0EN

POFLASH0LIGHT0CTL

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A3

Date: 29-Nov-16 Sheet ofFile: C:\Users\..\MCU.SchDoc Drawn By:

S1SW1

D1Led

D2Led

RSTVDDGNDDATCLK

J1

PicKit3

PGED1/RP14/RB0 4

PGEC2/RP1/RA0 2

PGED2/RP2/RA1 3MCLR1

PGEC1/RP15/RB1 5

RP16/RB2 6

CLKI/RP3/RA2 7

CLKO/RP4/RA3 8

PGED3/SOSCI/RP5/RB4 9

PGEC3/SOSCO/RP6/RA4 10

RP11/RB7 11

RP7/RB8 12

RP8/RB9 13

RP12/RB12 15

RP13/RB13 16

RP9/RB14 17

RP10/RB15 18

AVSS/VSS19

AVDD/VDD20

VCAP14

U4

PIC32MM0064GPL020-I/SS

+3.3V

GND

+3.3V

10KR4

100pFC5

GND

GND

MCLR

GND

+3.3V

MCLR

PGDPGC

PGDPGC

4.7KR2

+3.3V

4.7KR3

+3.3V

GND 0,25 ?

SCLSDA A0 5

SDA3 A1 4

VSS2

SCL1

VCC 6

U3

24AA025UIDT-I/OT

GND GND

470R5

470R6

U1TXU1RX

U2RXU2TX

RPINR9bits.U2RX = 1; // connect UART2 RX

// input to RP1 (2)

U2TXU2RX

RPOR0bits.RP2R = 1; // connect UART2 TX

// to RP2 (3)

SCLSDA

LED_B

LUE

LED

_RED

LED_BLUE10uFC6

GND

LED_RED RF_DTXRF_DRXRF_CFGRF_EN

CAM_DTXCAM_DRXCAM_EN

U1TXU1RX

S2SW1

RB13

RB13 FLASH_LIGHT_CTL

MCLR

BAT_LEVELCHG_STAT

GND

RA4

RA4

RB4

RB4

RA2

RA3

RA3RA2

AN4AN4

PGD

PIC501

PIC502COC5

PIC601

PIC602COC6

PID101PID102

COD1PID201PID202

COD2

PIJ101

PIJ102

PIJ103

PIJ104

PIJ105

COJ1 PIR201

PIR202

COR2PIR301

PIR302

COR3

PIR401

PIR402COR4

PIR501

PIR502

COR5PIR601

PIR602

COR6

PIS101

PIS102COS1

PIS201

PIS202COS2

PIU301

PIU302

PIU303 PIU304

PIU305

PIU306

COU3

PIU401 PIU402

PIU403

PIU404

PIU405

PIU406

PIU407

PIU408

PIU409

PIU4010

PIU4011

PIU4012

PIU4013

PIU4014

PIU4015

PIU4016

PIU4017

PIU4018

PIU4019

PIU4020

COU4

PIJ102

PIR201 PIR301

PIR402

PIU304

PIU305

PIU306

PIU4020

PIU406NLAN4 POBAT0LEVEL

PIC501

PIC601

PID102 PID202

PIJ103

PIS101

PIS201

PIU302

PIU4019

PIR501

PIU4015NLLED0BLUE

PIR601

PIU4013

NLLED0RED

PIC502

PIJ101

PIR401

PIS102

PIU401NLMCLRPOMCLR

PIC602

PIU4014

PID101PIR502

PID201PIR602

PIJ105

PIU405NLPGC

PIJ104

PIS202

PIU404NLPGD

PIU407

NLRA2 POCAM0EN

PIU408

NLRA3 PORF0EN

PIU4010

NLRA4 POCHG0STAT

PIU409

NLRB4 PORF0CFGPIU4016

NLRB13 POFLASH0LIGHT0CTL

PIR202PIU301

PIU4011

NLSCLPIR302

PIU303

PIU4012

NLSDA

PIU4018NLU1RX POCAM0DTX

PIU4017

NLU1TX POCAM0DRX

PIU402

NLU2RX PORF0DTX

PIU403

NLU2TX PORF0DRX

POBAT0LEVEL

POCAM0DRXPOCAM0DTX

POCAM0EN

POCHG0STAT

POFLASH0LIGHT0CTL

POMCLR

PORF0CFGPORF0DRXPORF0DTX

PORF0EN

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A3

Date: 29-Nov-16 Sheet ofFile: C:\Users\..\Power.SchDoc Drawn By:

VIN1

GND 2

SHDN3

PWRGD4

VOUT 5U2

MCP1824T-3302E/OT

10uFC3

GNDGND

+3.3VVBAT

4.7uFC4

GND

VDIG

VSS 2

VDD4 VBAT 3

STAT1

PROG 5

U1

MCP73832T-3ACI/OT

4.7uFC2

GND

2kR1

4.7uFC1

GND GND

VBAT

CH

G_S

TAT

BT1Battery

GND

VBATVUSB

GND

+5V

MC

LR

40KR8

100KR9

GND

VBAT

BAT_LEVEL

1uFC8

GND

MAX: 3.0V

VCC 1

D- 2

D+ 3

ID 4

GND 5

J2

PIBT101PIBT102

COBT1PIC101

PIC102COC1

PIC201

PIC202COC2

PIC301

PIC302COC3

PIC401

PIC402COC4

PIC801

PIC802COC8

PIJ201

PIJ202

PIJ203

PIJ204

PIJ205

COJ2

PIR101

PIR102COR1

PIR801

PIR802COR8

PIR901

PIR902COR9

PIU101 PIU102

PIU103PIU104

PIU105

COU1

PIU201

PIU202

PIU203

PIU204

PIU205

COU2

PIVBAT01

COVBAT

PIVDIG01

COVDIG

PIVUSB01

COVUSB

PIC302PIU205

PIVDIG01

PIC102PIJ201 PIU104

PIVUSB01

PIBT102PIC101 PIC201

PIC301

PIC401

PIC801

PIJ205

PIR101

PIR901

PIU102

PIU202

PIC802PIR801PIR902 POBAT0LEVEL

PIJ202

PIJ203

PIJ204 PIR102PIU105

PIU101

POCHG0STAT

PIU204

POMCLR

PIBT101PIC202

PIC402

PIR802

PIU103

PIU201

PIU203

PIVBAT01

POBAT0LEVEL

POCHG0STAT

POMCLR

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A3

Date: 29-Nov-16 Sheet ofFile: C:\Users\..\RF.SchDoc Drawn By:

VCC1

DTX2

GND3

DRX4

CONFIG5

ENABLE6

TEST7

GND 8ANT 9U6

HM-TRP

GND

GND

+3.3V

RF_DTX

RF_DRXRF_CFGRF_EN

RTX RRX

S

E

E1Antenna

GND

PIE10EPIE10S

COE1

PIRRX01

CORRX

PIRTX01

CORTX

PIU601

PIU602

PIU603

PIU604

PIU605

PIU606

PIU607

PIU608

PIU609

COU6

PIU601

PIE10E

PIU603

PIU608

PIE10S

PIU609

PIRRX01

PIU604PORF0DRX

PIRTX01

PIU602PORF0DTX

PIU605PORF0CFGPIU606PORF0ENPIU607

PORF0CFGPORF0DRX

PORF0DTX

PORF0EN