Arduino Day 2014 - Construindo um Medidor de Consumo de Energia Conectado à Nuvem com Arduino

Arduino Day 2014 • 29/03/2014 • São Paulo, Brasil • By Manoel Lemos • manoel@lemos.net • fazedores.com • manoellemos.com • CC-BY-SA 3.0
Medidor de Consumo 
de Energia Elétrica
Conectado à 
Nuvem com
Arduino
Manoel Lemos
manoel@lemos.net
@mlemos
http://fazedores.com
http://manoellemos.com

Muito cuidado ao trabalhar 
com a rede elétrica!
Não arrisque sua vida!

Arduino Day 2014 • 29/03/2014 • São Paulo, Brasil • By Manoel Lemos • manoel@lemos.net • fazedores.com • manoellemos.com • CC-BY-SA 3.0Arduino Day 2014 • 29/03/2014 • São Paulo, Brasil • By Manoel Lemos • manoel@lemos.net • fazedores.com • manoellemos.com • CC-BY-SA 3.0
"I see no social imperative for free
hardware designs like the imperative
for free software. Freedom to copy
software is an important right because it
is easy now - any computer user can do
it. Freedom to copy hardware is not as
important, because copying hardware is
hard to do.”
!
Richard Stallman @ Linux Today, 1999
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:NicoBZH_-_Richard_Stallman_(by-sa)_(10).jpg

Hardware
é Phodda!
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:NicoBZH_-_Richard_Stallman_(by-sa)_(10).jpg

Hardware é Phodda..
1. Diagrama Elétrico 2. Peças 3. Layout da Placa
4. Firmware 5. Software 6. Diagrama Mecânico

Hardware é Phodda..
1. Diagrama Elétrico 2. Peças 3. Layout da Placa
4. Firmware 5. Software 6. Diagrama Mecânico
era
✔ ✔ ✔
✔ ✔ ✔

Tudo Isto
+
Licenças Decentes &
Adequadas
=
Open Source Hardware
http://www.inmojo.com/licenses/
http://www.shareable.net/blog/how-to-choose-an-open-source-hardware-license

“Open source hardware is hardware whose
design is made publicly available so that anyone
can study, modify, distribute, make, and sell the
design or hardware based on that design.The
hardware’s source, the design from which it is
made, is available in the preferred format for
making modifications to it.”
http://www.oshwa.org/faq/

Alguns Projetos 
Fonte: http://blog.fazedores.com/arduino-conheca-esta-plataforma-de-hardware-livre-e-suas-aplicacoes/ Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/RepRap_Project
Fonte: http://www.indiegogo.com/projects/the-open-hand-project-a-low-cost-robotic-hand Fonte: http://opensourceecology.org/

Para saber mais…
• Wikipedia • http://pt.wikipedia.org/wiki/Hardware_livre
• Open Source Hardware Association • http://oshwa.org
• Lady Ada • O que é Open Hardware • http://www.ladyada.net/
library/openhardware/whatisit.html
• Arduino Team • http://www.slideshare.net/arduinoteam/open-
source-hardware-summit-speech-2011
• InterCon 2013 • Open Hardware • http://blog.fazedores.com/
open-hardware-no-intercon-2013/

Mas por que
um medidor de
consumo de
energia?

Porque
é
Possível
e
Divertido!

OpenEnergyMonitor
http://openenergymonitor.org/

1 x Arduino Mega
1 x Ethernet Shield
1 x OLED Display
1 x RTC Clock
1 x Sensor de Temperatura
e Humidade Relativa do Ar
2 x Botões

Vamos ao nosso
projeto!
• Baseado no OpenEnergyMonitor
• Protótipo de uma versão simplificada
• Apenas um sensor de corrente
• Servidor exemplo para receber dados na
nuvem
• Potência aparente e aproximada (não estamos
medindo a tensão da rede e nem a fase)

Um Pouco de Teoria
P = U x I
Potência
Watts
(W)
Tensão
Volts
(V)
Corrente
Ampères
(A)

Um Pouco de Teoria
P = U x I
Potência
Watts
(W)
Tensão
Volts
(V)
Corrente
Ampères
(A)
 
Quantidade de energia
que está sendo consumida
ou produzida por unidade
de tempo!
(Joule/seg)  
Quantidade de energia
necessária para alimentar
uma carga de 1 watt pelo
período de 1 hora.
(Watt-hora) Como:
!
1 hora = 3600 segundos
!
Temos:
!
1 watt-hora
=
1 watt x 3600 segundos
=
1 (joule / segundos) x
3600 segundos
=
3600 joules
(kWh ou Quilowatt-hora)
É por “energia" que pagamos na conta de luz.
3600000 joules

Calculando a Energia a partir
de medidas da Potência
Potência
(W)
Tempo
(segundos)
Área da Figura
=
Energia
(joules)

Um Sensor para
Corrente Elétrica (AC)

Um Sensor para
Corrente Elétrica (AC)
100A
50mA
127V
100W
0.78A
0.39mA

Interfaceando com o
Arduino
100A RMS
50mA RMS
470K
470K
+5Vcc
Gnd
+2.5V
Pico a Pico
+0.17V a +4.83V
Pico a Pico
-2.33V a +2.33V
Pico a Pico
-70.7mA a +70.7mA
33R
10uF
+

1. Diagrama Elétrico

2. Peças
1 x Arduino Uno
1 x Ethernet Shield
1 x Protoboard
1 x Sensor de
Corrente
SCT-013-100
1 x Resistor 33𝛀
2 x Resistores 470K𝛀
1 x Capacitor 10μF
1 x Jack P2
Fio Comum & Jumpers

3. Layout

Quase lá!

4. Firmware
• Nada de especial por aqui.
• ;-)

5. Software
• Arduino
• Realização das medidas elétricas (emonLib)
• Comunicação com o servidor (Ethernet Lib)
• Servidor
• Recebimento e armazenamento das medidas
• Cálculo da energia consumida
• Apresentação dos resultados

Arduino : Anatomia de um
Sketch
// bibliotecas & dependências
// variáveis globais
// configurações
// funçoes
!
void setup()
{
// inicialização
// executado antes de tudo e apenas uma vez
}
!
void loop()
{
// laço principal
// executado indefinidamente
}

Arduino : Bibliotecas &
Configurações
// bibliotecas necessárias
#include <EmonLib.h> // Emon lib - monitores de energia
#include <SPI.h> // SPI lib - para shield ethernet
#include <Ethernet.h> // Ethernet lib - para comunicação
!
// variáveis globais
EnergyMonitor emon1; // instância de um monitor de energia
const int CT_PIN = 1; // pino conectado ao CT (sensor)
!
byte mac[] ={0xAA,0xBB,0xCC,0xDD,0xEE,0xFF}; // endereço MAC
EthernetClient client; // instância de um cliente TCP

Arduino : setup()
void setup()
{
// inicializa porta serial para usarmos em depuração
Serial.begin(9600);
// inicializa o monitor de corrente
emon1.current(CT_PIN, 64);
// inicializa o shield ethernet
if (Ethernet.begin(mac) == 0) {
Serial.println(“Shield ethernet não inicializado.”);
while(1); // abortar (não temos rede)
} else {
Serial.println(“Shield ethernet inicializado com
sucesso!");
}
delay(1000);
Serial.print("Endereço IP: ");
Serial.println(Ethernet.localIP()); // imprime endereço IP
}

Arduino : loop()
void loop()
{
double Irms = emon1.calcIrms(1480); // mede a corrente
double Potencia = Irms * 127.0; // calcula a potência
!
Serial.print("Irms: ");
Serial.print(Irms); // imprime a corrente na serial
Serial.print(" A t");
Serial.print("Potencia: ");
Serial.print(Potencia); // imprime a potência na serial
Serial.print(" W");
Serial.println();
!
sendData(Irms, Potencia); // envia dados pro servidor
!
delay(15000); // aguarde 15 segundos
}

Arduino : sendData()
void sendData(double Irms, double Potencia) {
client.connect(“10.0.1.108",4000);// conecta ao servidor
delay(500);
if (client.connected()) {
// realiza o GET enviando dados como parâmetros
client.print("GET /medida?irms=“); client.print(Irms);
client.print(“&potencia="); client.print(Potencia);
client.println(" HTTP/1.1");
client.println("Host: 10.0.1.108");
client.println();
delay(500);
// lê a resposta (e a ignora)
while (client.available()) { char c = client.read(); }
delay(500);
client.stop(); // fecha a conexao
Serial.println("Dados enviados!");
} else {
Serial.println("Falha na conexão.");
}
}

Servidor : GET /medida
# recebe dados de uma nova medida
# e armazena no banco de dados
get "/medida" do
# cria objeto com parâmetros da requisição
@medida = Medida.new(
:irms => @params['irms'],
:potencia => @params['potencia']
)
# salva no banco
if @medida.save
return 'ok'
else
return 'nok'
end
end

Servidor : GET /dashboard
# calcula energia total consumida no dia
get "/dashboard" do
# pega todas as medidas de hoje (não faça isto em prod!)
@medidas = Medida.where("DATE(created_at) = DATE(?)”,
Time.now)
@consumo = 0 # acumulador da energia total
anterior =’nil # medida anterior
@medidas.each do |atual|
if anterior
# calcula a energia consumida entre duas medidas
tempo = atual.created_at - anterior.created_at
energia = (atual.potencia + anterior.potencia) *
tempo / 2
@consumo = @consumo + energia # acumula
end
anterior = atual # atualiza medida anterior
end
@consumo = @consumo / 3600000 # joules -> kWh
end

Juntando Tudo
Servidor
Serial Monitor
Arduino
+
Shield Ethernet
Cabo de Rede
Circuito
Sensor de
Corrente
Cabo USB
Para Rede
Elétrica
Lâmpada
100W

Juntando Tudo
Macete
!
A corrente é
multiplicada pelo
número de voltas.

Incrementando…
• Medição em 2 ou 3 fases
• Medição da tensão da rede
• Displays
• Sensores de temperatura
• Você manda…

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