TCC Engenharia Elétrica - Automação e Monitoramento Residencial com ESP32

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO TRIÂNGULO MINEIRO CAMPUS PARACATU NOME DO AUTOR TÍTULO DO TRABALHO SUBTÍTULO PARACATU MG 202 3 DIGITE AQUI O NOME COMPLETO DO ALUNO TÍTULO DO TRABALHO SUBTÍTULO Projeto de pesquisa apresentado ao curso Bacharelado em Engenharia Elétrica do Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Triângulo Mineiro Campus Paracatu como parte dos requisitos da disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso Orientador Coorientador PARACATU MG 2023 Figura 1 ESP32 Pinagem Figura 2 Diagrama de blocos do ESP32 LISTA DE QUADROS Quadro 1 Dados técnicos ESP32 Quadro 2 Exemplo de recursos planejados para implementar o projeto Quadro 3 Exemplo de cronograma de execução Sumário 1 INTRODUÇÃO 9 11 Tema 9 12 Problema 9 13 Objetivos 9 131 Objetivo geral 9 132 Objetivos específicos 10 133 Hipótese 10 14 Justificativa 10 15 Delimitação 11 2 DESENVOLVIMENTO 12 22 Material e Métodos 12 23 Recursos 13 24 Cronograma 14 REFERÊNCIAS 15 INTRODUÇÃO As indústrias dependem regularmente de variáveis de controle e monitoramento para evitar falhas futuras e manter o controle instantâneo onde a detecção e a aquisição manual de dados tornam isso possível e p ara atender a demanda por avanços tecnológicos as indústr ias adaptam seu s equipamentos FRUGOLI 2022 Dessa forma temos p or exemplo os inversores de frequência Schneider Human Machine Interface HMI agora permitem o monitoramento e controle do consumo de energia Quanto às tecnologias residenciais elas estão evoluindo continuamente com Amazon Alexa Smart Control e outras tecnologias independentes que permitem algum n ível de automação residencial DE MOURA 2018 No entanto essas tecnologias também conhecidas como automação residencial são caras complexas e carecem de compatibilidade além de suas capacidades atuais Ao contrário dos equipamentos industriais eles não oferecem monitoramento de energia em tempo real Contudo c om o advento da Era Digital ou da Informação marcada pela hiperacessibilidade e interconectividade tornase cada vez mais imperativa a necessidade de equipamentos acessíveis e adaptáveis para o monitoramento e gerenciamento eficiente dos consumos residenciais de energia elétrica Lamentavelmente o mercado ainda não produziu tais equipamentos equipados com monitoramento por smartphone Tema O controle de acesso a subestação elétrica Problema A falta de uma ferramenta fácil de usar que forneça dados em tempo real sobre o consumo de energia de uma unidade consumidora pode ser considerada uma causa de gerenciament o de energia abaixo do padrão O bjetivos Objetivo geral Nosso objetivo é criar um sistema de gerenciamento de energia que possa monitorar e regular com eficiência os pontos de energia de uma unidade consumidora sem a necessidade de alterações em equipamentos preexistentes onde o processo de instalação será mínimo e o sistema pode ser facilmente expandido e adaptado de acordo com os requisitos do usuário Além disso nos dedicamos a manter os custos baixos garantindo que nossa solução seja acessível a todos Objetivos específicos Analisar e contrastar as tecnologias atuais disponíveis no mercado Analisar a possibilidade de criação de um algoritmo para fins de controle e monitoramento Mostrar a criação de um programa de microcontrolador Comparar o dispositivo desenvolvido e o disponível atualmente no mercado H ipótese Para criar uma ferramenta de monitoramento e controle de energia pronta para o mercado programe um microcontrolador ESP32 usando C e HTMLCSS por meio de um ambiente de desenvolvimento integrado Utilize dispositivos auxiliares como sensores módulos de relé e fontes de alimentação no processo O algoritmo resultante imbuirá o microcontrolador ESP32 com as funcionalidades necessárias Justificativa Na indústria e entre os profissionais de Engenharia o gerenciamento adequado de energia também conhecido como Eficiência Energética é um tema popular O uso correto de energia é vital para minimizar as consequências ambientais e econômicas Uma tecnologia amigável que permite monitoramento controle e fácil instalação pode ajudar a identificar e mitigar problemas específicos de energia Tal produto também pode representar uma nova referência para padrões de acessibilidade física para pessoas com necessidades especiais e requisitos digitais na sociedade contemporânea Delimitação O investimento cada vez maior em Inteligência Artificial IA deu origem a tecnologias acessíveis como o Alexa da Amazon e uma gama de microcontroladores como ESP32 Arduino Raspberry Pi Pico além de sensores versáteis e outros equipamentos A tecnologia é atualmente um dos principais focos com a IA potencialmente gerando investimentos de até R 24 bilhões para o Brasil A International Data Corporation IDC consultoria de inteligência de mercado previu isso em entrevista ao Olhar Digital destacando a crescente demanda por sistemas automatizados que agora são facilmente adaptáveis para residências graças à integração de rede e conectividade com a internet O que antes era uma ferramenta exclusivamente para uso industrial agora é mais receptivo ao público em geral DESENVOLVIMENTO Referencial Teórico 211 Microcontrolador Nos campos de tecnologia da informação ou robótica é provável que conheça o conceito de um microcontrolador No entanto você ainda pode ter dúvidas sobre sua funcionalidade e vantagens pois cada microcontrolador possui suas própria s características e distinções MANCUSO 2019 Um microcontrolador todo poderoso é um chip compacto com memória integrada núcleo do processador e periféricos de entradasaída todos programáveis para produzir uma sequência de tarefas préestabelecidas Seu uso versátil em sistemas embarcados o torna um componente popular em uma ampla gama de dispositivos automatizados como controles remotos eletrodomésticos controles de carros e brinquedos Sua fácil programação design minimalista e baixo consumo de energia o tornam ideal para quem busca c onstruir circuitos eletrônicos O fator que define entre os dois está em seu design o microcontrolador é um computador compacto e completo capaz de realizar multitarefas Graças ao seu design de circuito integrado ele pode integrar memória volátil e não volátil junto com uma infinidade de periféricos de entradasaída Por outro lado o microprocessador integra apenas um pequeno núcleo processador limitandoo a simplesmente executar funções aritméticas e lógicas conf orme as diretrizes do programa A praticidade dos microcontroladores está encapsulada em um minúsculo chip Ele capacita o controle de sistemas eletrônicos não digitais que não possuem um sistema operacional permitindo assim automação e controle de periféricos em produtos como motores automotivos controles remotos e brinquedos Além disso vale a pena notar que os microcontroladores são graváveis quando equipados co m memória como no caso do PIC Considerado uma solução líder para criar um link de transferência de dados entre microcontroladores e dispositivos o Arduino conta com uma CPU poderosa O processador executa com precisão e rapidez as instruções reconhecidas processando os dados digitais à medida que chegam A memória do programa desempenha um papel central para garantir o bom funcionamento de todo o sistema armazenando programas e instruções que direcionam o microcontrolador Outros recursos críticos incluem temporizadores que contam o componente e as portas de entradasaída para conectar o microcontrolado r aos dados de entrada e saída Após seu lançamento diversas categorias de microcontroladores foram introduzidas cada uma superando seus predecessores Entre os mais prevalentes na robótica estão os MICROCONTROLADORES ATMEL AVR ATMEGA ATTINY ETC Esta série de microcontroladores foi uma das primeiras a utilizar memória flash para armazenamento de programação A tecnologia de microchip PIC incluindo modelos como PIC16 e PIC24 utiliza a arquitetura Harvard para processar dados que variam de 8 a 32 bits Além de sua reputação por uma ampla gama de ferramentas esta opção apresenta acessibilidade e al ta disponibilidade consistente Os microcontroladores baseados em ARM são conhecidos por sua capacidade de resposta e reações em tempo real As quatro iterações da arquitetura ARM empregadas com mais frequência s ão ARMv4 ARMv5 ARMv6 e ARMv7 Como mencionamos anteriormente os microcontroladores são comumente utilizados em projetos de pequena escala onde apenas recursos específicos são necessários A capacidade de executar funções designadas com precisão é essencial para o seu sucesso O controle de acesso é uma aplicação chave com técnicas de reconhecimento como impressões digitais cartões magnéticos e senhas liderando o caminho na identificação de indivíduos Com a capacidade de interpretar a entrada dos sensores e exibir a saída resultante o microcontrolador serve como o cérebro de um projeto Pode ser customizado para diversas aplicações como em um relógio onde pode exibir as informações desejadas como hora data e temperatura Neste cenário o microcontrolador recebe a hora atual e os dados do sensor se necessário ant es de transmitilos ao display Uma das vantagens mais significativas de usar microcontroladores em seu projeto está em sua acessibilidade pois esses diminutos dispositivos funcionam como um controle digital de baixo custo para processamento e dispositivos O tamanho do microcontrolador adicionalmente resulta em um equipamento final compacto conforme já discutido anteriormente no artigo Além disso os custos de energia podem ser mantidos na faixa de miliwatts ao usar microcontroladores reduzindo significativamente o consumo de energia No modo de espera o consumo de energia do sistema pode cair para nanowatts contribuindo ainda mais para a diminuição do uso de energia 212 ESP32 Introduzido em 2016 o microcontrolador ESP32 projetado pela Espressif Systems vem causando furor entre os programadores por sua excepcional velocidade de processamento acessibilidade e conectividade Este robusto processador de 32 bits tem a vantagem adicional de estar disponível em single ou dualcore com dois núcleos físicos de processamento Quando comparado a outros microcontroladores o ESP32 se destaca como uma escolha superior em várias categorias COSTA 2021 Além disso oferece um limitador de tensão de 5V para proteção adicional contra alimentação excessiva e um circuito de relógio em tempo real RTC para manter a data e a hora atualizadas durante quedas de energia A Figura 1 fornece uma imagem detalhada de sua pinagem e funcionalidade em relação aos pinos Apesar da falta de memória EEPROM a memória Flash interna do ESP32 de 16 MB pode reservar até 4 MB para esse fim LIBEL LATINI HERCULES 2021 Figura 1 ESP32 Pinagem Fonte IOXHOP 2023 A conectividade do ESP32 é muito apreciada devido aos seus dois módulos integrados que fornecem acesso a redes de transmissão sem fio por meio de ondas de rádio Esses módulos são protocolo Bluetooth e WiFi que estão embutidos no chip Um diagrama de blocos conforme mostrado na Figura 2 geralmente é encontrado no datasheet inglês e dá uma ideia melhor dos periféricos em uma placa ESP32 SANTOS LARA JUNIOR 2019 oferecem mais informações sobre os recursos desse microcontrolador Graças ao seu tamanho compacto o ESP32 se encaixa facilmente em placas de circuito impresso e outros circuitos eletrônicos A linguagem CC pode ser usada para programálo Além disso além de programar em seu ambiente nativo o Software Deployment Kit SDK ele também pode ser programado por meio da interface amigável do Arduino IDE Vale ressaltar a importância da programação através do Arduino IDE para o microcontrolador ESP32 Embora a programação não apresente problemas o download de drivers e bibliotecas internas específicas para ESPs é imperativo Especificações técnicas adicionais para este microcontrolador estão detalhadas na Tabela 1 Figura 2 Diagrama de blocos do ESP32 Fonte ESPRESSIF SYSTEMS Quadro 1 Dados técnicos ESP32 Fonte autoria própria 2023 Material e Métod os Neste estudo defendemos a utilização de sistemas domóticos e propomo s uma estratégia exploratóra onde p rimeiramente compararemos diferentes microcontroladores e forneceremos uma justificativa para selecionar o mais adequado para a aplicação Em seguida realizaremos uma extensa pesquisa sobre componentes eletrônicos como sensores módulos de relés e circuitos integrados para garantir a compatibilidade com o microcontrolador escolhido Esta pesquisa cobrirá aspectos como adaptabilidade especificações de folha de dados e operação Uma vez reunidas essas informações desenvolveremos um algoritmo para o microcontrolador que possa resolver os problemas e objetivos definidos no estudo Depois que o microcontrolador estiver programado e conectado aos componentes apropriados realizaremos um teste de bancada para validar sua funcionalidade Após a conclusão bemsucedida do teste de bancada compararemos nosso produto com os já existentes no mercado e avaliaremos se alcançamos nossos objetivos Esta etapa nos ajudará a determinar se nossa solução proposta abordou com sucesso o problema em questão O ESP32 prova ser o microcontrolador definitivo para iniciativas de controle e monitoramento de energia pois não requer nenhum outro equipamento suplementar para satisfazer os códigos básicos de programação para automação residencial Com seus recursos integrados de WiFi e Bluetooth é a opção mais econômica em comparação com outros microcontroladores pois nega a necessidade de módulos auxiliares adicionais Esse recurso o torna a escolha perfeita para entusiastas de casas inteligentes que procuram manter os custos baixos Criar o algoritmo para este projeto requer mais do qu e apenas habilidades básicas p ara garantir que o projeto proposto seja adequado outros comp onentes devem ser incorporados que p ara programar com o ESP32 utilizase a plataforma Arduino IDE embora necessite de alguns ajustes para facilitar a comunicação onde o estágio inicial da programação é a declaração das condições iniciais que transferem informações como status tipos de dados variáveis e muito mais Por operar em frequência elevada frequência máxima de 240 MHz o tempo de execução de cada instrução é extremamente breve Com um período de ciclo de 42 nanossegundos necessitando multiplicação pelo número de linhas de código os ciclos da CPU iniciam a invocação do Web Server e estabelecem a conexão com o banco de dados É importante lembrar que a conexão do ESP32 com a internet depende de diversas variáveis incluindo o nome e a senha da rede WiFi Se não forem uniformes o dispositivo não se conectará Esse dilema pode ser resolvido de várias maneiras dependendo das preferências do programador Considerando a importância da segurança cibernética é imperativo tomar medidas para garantir a proteção de dados ao usar servidores da web Normalmente quando um usuário acessa um servidor da Web sua solicitação de protocolo de transferência de hipertexto HTTP é criptografada e decodificada usando a técnica BASE64 para transmissão segura Desde que as credenciais usadas para entrar correspondam àquelas armazenadas na programação do IDE o acesso à página da Web do projeto será concedido onde o sensor HMCT103C facilita a medição de corrente por meio de uma conexão de servidor Web com valores de carga e tensão que requerem entrada Esses valores são inicialmente definidos como zero e devem ser calibrados antes de serem inseridos na guia Configurações Aqui o campo Valor do alarme permite que os usuários definam um valor máximo de consumo Se esse valor for excedido uma notificação por email será acionada A notificação é repetida a cada seis horas se o valor do consumo permanecer alto até cair abaixo do limite especificado É importante ressaltar que o bom funcionamento deste recurso depende de código desenvolvido tanto na IDE do Arduino quanto em outras áreas relevantes R ecursos Após o desenvolvimento bemsucedido e a subsequente comercialização do microcontrolador inicial vários fabricantes começaram a disputar participação de mercado com seus próprios produtos exclusivos No entanto cada dispositivo carregava suas próprias vantagens e desvantagens distintas tanto técnica quanto comercialmente Alguns foram considerados inferiores a outros em certos aspectos Para efeitos deste estudo foi dada especial atenção aos microcontroladores Arduino UNO R3 ATmega328 e ESP32 Fazer a seleção certa requer considerar fatoreschave incluindo desempenho disponibilidade de funções contagem de portas compatibilid ade WiFi memórias e custo onde o quadro 1 fornece uma comparação lado a lado das tecnologias em questão ajudando a fazer a melhor escolha Quadro 2 Exemplo de recursos planejados para implementar o projeto Microcontrolador ATmega328 ESP32 Custo R 61 00 R 7300 Portas Analógicas 6 18 Portas Digitais 14 34 Memória Flash 32 KB 16 MB EEPROM 1 KB 4 MB da Flash Velocidade do Clock 16 MHz 80 a 240 MHz Módulo WiFi embutido Não Sim Bluetooth Integrado Não Sim Fonte elaborado pelo autor Cronograma Quadro 2 Exemplo de cronograma de execução CRONOGRAMA TCC 2023 ETAPAS agosto setembro outubro novembro dezembro Definição do tema problema e objetivos do Projeto de Pesquisa x Levantamento de Referencial Teórico x Redação do Projeto de Pesquisa x x Envio do Projeto de Pesquisa para a avaliação do Professor Orientador x Revisão Sistemática da Literatura x x Aquisição de Materiais x x Desenvolvimento do Protótipo x x x Testes de Validação do Protótipo x Análise de Resultados x Redação do Relatório do TCC Monografia x Revisão do TCC x Defesa do TCC x Correção do TCC x Entrega final de TCC com ficha catalográfica x Fonte elaborado pelo autor REFERÊNCIAS COSTA Euder Alves SISTEMA DE MONITORAMENTO REMOTO EM MOTORES DE INDUÇÃO 2021 DE MOURA Dalma Lopes et al PROPOSTA DE SUBSTITUIÇÃO DO MOTOR DE INDUÇÃO MONOFÁSICO PELO MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO MIT NO MEIO RURAL EMPREGANDO INVERSOR DE FREQUÊNCIA Revista Brasileira de Energias Renováveis v 7 n 1 2018 FRUGOLI Ingryd et al Controle de retorno de paletes em empresa farmacêutica 2022 LIBEL Gustavo Cordeiro LATINI Igor Pardal HERCULES Mateus Campaner Sistema de coleta automatizada de amostras de ar para análise da concentração de gases de efeito estufa do solo 2021 Trabalho de Conclusão de Curso Universidade Tecnológica Federal do Paraná MANCUSO Stefano Revolução das plantas um novo modelo para o futuro Ubu Editora 2019 LISTA DE FIGURAS 13 13