O monitorizador aqui introduzido foi desenvolvido no GEPE durante a unidade curricular “Projeto” 2. As principais características deste monitorizador são as seguintes, é constituído por uma placa de aquisição das grandezas elétricas e por um módulo
CC2530EM para retransmitir os dados para uma estação base através do protocolo
ZigBee/IEEE 802.15.4. Tanto a placa de aquisição, como o módulo de comunicação, são, como se pode ver na Figura 3.4, de dimensões reduzidas.
A placa que permite medir as grandezas elétricas é constituída por diversos elementos essenciais, os sensores de tensão e corrente, o IC ADE7753 responsável por calcular o valor da tensão, corrente, potência ativa e reativa, fator de potência, etc. Esta está, também, equipada com um sistema de alimentação ininterrupto. Uma vez que todo o sistema é alimentado a partir a rede, foi essencial garantir que o funcionamento do mesmo não fosse afetado por interrupções no fornecimento de energia. Assim, no momento da interrupção, a alimentação da placa é comutada para uma bateria. Uma falha de energia é considerada como evento de qualidade de energia, daí a importância de a detetar e medir a sua duração. Por fim, o relé permite ligar ou desligar equipame ntos
Figura 3.4 – Vista de topo, lateral e base do monitorizador.
O motivo da escolha deste monitorizador deve-se, principalmente, ao tipo de comunicação por este utilizado. Uma vez que o monitorizador usa comunicação sem fios ZigBee, é uma mais-valia pois segue a tendência atual dos monitorizados presentes no mercado. Existem cada vez mais produtos com o objetivo de medir algum tipo de grandeza física, quer seja, elétrica, temperatura, humidade, velocidade do vento, entre outras [33] [34]. Por outro lado, têm-se desenvolvido produtos que integram o conceito da Internet of Things [35]. Estes produtos são na maioria das vezes equipame ntos domésticos do dia-a-dia, com a particularidade de possuírem uma ligação à internet. Os dados relativos ao funcionamento dos mesmos ficam disponíveis online. Também é possível acionar remotamente certas funcionalidades destes dispositivos.
Agora, voltando ao tema, quando vários monitorizadores são usados em conjunto, estes podem monitorizar diversos equipamentos, permitindo obter resultados detalhados de cada um dos elementos sob monitorização. Esta tarefa é, por razões óbvias, facilitada sempre que se usam equipamentos com ligações sem fios.
Tal como é apresentado na Figura 3.5, este monitorizador é compacto o que o torna adequado para uso ao nível das tomadas e uso doméstico.
Figura 3.5 – Vista do interior da caixa do monitorizador.
A comunicação entre o monitorizador e o recetor dos dados faz-se através de módulos CC2530EM. Tal como é apresentado na Figura 3.6, estes módulos são responsáveis por transportar a informação em ambos os sentidos, quer seja do recetor para o monitorizador, quer no sentido contrário. O sistema de supervisão e gestão deverá ser capaz de comunicar por Universal Asynchronous Receiver/Transmitte (UART) com o módulo recetor, pois será a partir deste que será feita a troca de comandos e de informações com o monitorizador.
Figura 3.6 – Esquema representativo da comunicação entre o monitorizador e o recetor.
3.5.
Requisitos do Sistema
Uma vez que estão definidos os monitorizadores que serão usados no sistema de supervisão e gestão, serão agora apresentados os parâmetros relevantes do sistema que se pretende desenvolver.
O sistema deve ser capaz de usar a informação obtida pelos monitorizadores para tomar decisões em tempo real. As decisões podem ser do género de ligar ou desligar equipamentos ou desencadear ações com base nos registos obtidos. Será, então, de esperar
trigger desses eventos deverá ser programado pelo utilizador conforme a necessidade de
atuação ou não. Este modo de usar os monitorizadores pode ser útil, pois permite ligar ou desligar automaticamente determinados equipamentos. A utilidade deste modo reflete- se essencialmente na prevenção de avarias pois permite desligar preventivame nte equipamentos com menor tolerância à variação dos parâmetros da rede elétrica.
Continuando, a interface do sistema de gestão deverá ser compatível com o maior número de sistemas operativos possível. Usando como exemplo os equipamentos de monitorização desenvolvidos pelo GEPE, a maior parte deles possui um software próprio. Sempre que um software é desenvolvido, o número de máquinas onde este pode ser instalado depende de pelo menos dois fatores. Um software pode não funcionar em todos os sistemas operativos e nem todas as máquinas possuem os requisitos mínimos que suportem o software. A ideia, nesta altura, será migrar para uma plataforma comum à maior parte dos sistemas operativos, como por exemplo os browsers.
A solução em vista consiste em desenvolver a interface para o utilizador usando o sistema na forma de aplicação web ou web based application em inglês. A aplicação correrá num servidor web e será acessível a partir de qualquer sistema operativo ou dispositivo móvel, desde que estes possuam um browser [36]. A aplicação poderá ser desenvolvida em HTML mas especialmente em PHP, pois trata-se de uma linguagem de programação semelhante ao C++, que permite desenvolver páginas web bastante dinâmicas. O PHP é também uma linguagem server-side o que poderá trazer ganhos na no modo como a informação é processada e, também, menor consumo de recursos por parte da máquina do cliente [37]. A característica server-side permite que as páginas e o seu conteúdo sejam criadas no próprio servidor e apenas seja enviado o “resultado” para o browser. Por isso, a linguagem PHP, combinada com a linguagem mais estática, o HTML, deverá permitir implementar a maior parte do código necessário para fazer a interface com o utilizador. O utilizador poderá configurar e consultar os monitorizadores do sistema a partir desta interface.
Por último, o sistema de supervisão deve permitir, se necessário, upgrades regulares. Isto significa que este deve acompanhar os avanços feitos ao nível da tecnologia e por parte da exigência dos utilizadores do sistema. Mesmo ao nível do hardware, este deverá ser capaz de suportar novas funcionalidades. O avanço da tecnologia está constantemente a ocupar o mercado com novos produtos, daí ser necessário que novas funcionalidades possam ser facilmente integradas num sistema pré-existente.
Como resposta aos critérios estabelecidos, a solução que mais se adequa passa por implementar o sistema de controlo e comunicação com os monitorizadores recorrendo à tecnologia Field Programmable Gate Array (FPGA). Esta decisão baseia-se nas características intrínsecas às FPGAs. Uma vez que os protocolos de comunicação se baseiam num sistema de regras digitais para troca de dados entre dispositivos, fazem da FPGA um meio natural para implementar a comunicação.
Ao controlar as entradas e saídas do sistema ao nível do hardware consegue- se aperfeiçoar a performance do sistema pois este é desenvolvido especificamente para um determinado uso. Outro fator decisivo na escolha de FPGAs consiste no facto de estas poderem serem atualizáveis, o que constitui uma mais-valia, pois permite a adição de funcionalidades ao projeto ou a alteração de algum parâmetro ou protocolo de comunicação.
Como foi visto no capítulo 2, a maior parte dos sistemas de monitorização de energia elétrica são constituídos por sensores, por meios de transmissão de informação, por um dispositivo destinado a guardar os dados e, como é óbvio, por uma interface que disponibiliza a informação aos utilizadores.
O sistema que nesta Dissertação se pretende desenvolver será constituído pelos monitorizadores, por uma FPGA e por um mini computador para armazenar os dados e para fazer interface com o utilizador.
3.6. Arquitetura Proposta
Com base nos requisitos do sistema, a arquitetura proposta para solucionar todas as condições encontra-se esquematizada na Figura 3.7. Para comunicar com cada um dos monitorizadores usar-se-á uma FPGA. A tecnologia associada às FPGAs tem sido amplamente usada em projetos de implementação de sistemas digitais programáveis ou reconfiguráveis. O atual estado da tecnologia permite implementar sistemas digita is complexos graças aos milhões de gates que as FPGAs possuem on-chip. [38].
Figura 3.7 – Possível arquitetura do sistema de supervisão e gestão de energia elétrica.
Será na FPGA que irão ficar os módulos responsáveis pela comunicação, quer esta seja UART, SPI ou outras. Uma vez que se trata de comunicações, a FPGA é ideal pois permite desenvolver toda a lógica necessária para a comunicação entre dispositivos. Neste caso, entre os monitorizadores e a FPGA. O facto de as FPGAs permitirem paralelis mo na execução de código é muito vantajoso, isto significa que cada módulo responsável por um tipo de comunicação é independente dos outros.
No entanto a FPGA por si só não resolve todos os problemas. Uma vez que esta funciona a muito baixo nível seria muito complicado desenvolver nesta uma interface apelativa e eficiente para suportar todo o sistema de supervisão e gestão. Por isso decidiu- se usar um computador para fazer a gestão dos dados e alojar a aplicação web que fará interface com o utilizador. O computador em questão trata-se de uma Raspberry Pi, sendo este um mini computador, de dimensões reduzidas, que corre um sistema operativo baseado em Linux. Neste poderá ser instalado o servidor web, uma base de dados e ainda usar periféricos de baixo nível para comunicar com a FPGA.
Concluindo, o sistema que se pretende desenvolver é composto por uma FPGA, cujo propósito é comunicar com os monitorizadores para adquirir o valor das grandezas elétricas. A função da Raspberry Pi é de disponibilizar os dados adquiridos pela FPGA num ambiente gráfico desenvolvido na forma de aplicação web e armazenar todos os dados relativos às monitorizações numa base de dados.
3.7.
FPGA
Será usada a board Basys2 produzida pela Digilent para implementar a parte lógica da comunicação do sistema de supervisão e gestão [39]. Esta placa pode ser usada para
implementar desde simples circuitos lógicos, até projetos bastante complexos. A Figura 3.8 mostra o aspeto da placa, esta é constituída pela FPGA Spartan 3-E da
Xilinx [40].
Figura 3.8 – Aspeto da Basys 2 [39].
As principais características desta placa estão representadas na Figura 3.9. Tal como é possível ver na figura, a placa possui quatro saídas de seis pinos para entradas ou saídas. A placa é dotada de mecanismos de proteção contra curto-circuitos e suporta tensões de entrada de 3,5 V até 5,5 V. Possui um clock ajustável para três valores, 25, 50 e 100 MHz e 100k gates, 18-bit multipliers e 72 kbits de fast dual-port block RAM.
Figura 3.9 – Características da Basys2 [39].
Toda a parte lógica das comunicações será implementada na FPGA, isto quer dizer que a comunicação com os monitorizadores será feita através desta. O esquema da
Figura 3.10 representa a possível organização dos módulos que estarão presentes na FPGA.
Os módulos principais são os seguintes, “Raspberry Pi”, “Monitorizador 1” e “Monitorizador 2”. O módulo chamado de “Acesso aos dados” será usado para interpretar os comandos enviados pela Raspberry Pi e para enviar de volta informação relativa aos monitorizadores. Os módulos “Monitorizador 1” e “Monitorizador 2” possuem as funções necessárias para comunicar com os respetivos monitorizadores e processar toda a informação por eles obtida.
Figura 3.10 – Possível organização dos módulos da FPGA.
A Figura 3.11 esquematiza uma situação onde vários monitorizadores estão ligados à FPGA. Independentemente do meio de comunicação usado pelos monitorizadores, a FPGA é responsável por gerir cada um deles separadamente. Existe paralelismo em todos os processos relativos à aquisição e processamento dos dados recebidos. Os dados após serem adquiridos são armazenados no próprio módulo que os processou até serem necessários por qualquer outro módulo.
Cada monitorizador possui os seus próprios comandos e modos de funcioname nto, por isso na FPGA deverão estar implementadas todas as funcionalidades para garantir o
correto funcionamento dos monitorizadores. Os modos de funcionamento serão baseados em parâmetros que o utilizador do sistema poderá selecionar.
Figura 3.11 – Esquema da comunicação entre a FPGA e diferentes monitorizadores.
3.8.
Raspberry Pi
A Raspberry Pi é um computador do tamanho de um cartão de crédito com um custo de aproximadamente 25$ (cerca de 19€)[41]. O principal componente da Raspberry Pi é o System On Chip (SOC) da Broadcom BCM2835 [42].Este incluí um processador de 32 bits da família ARM11 de 700 MHz e um processador gráfico, o Videocore IV. Possuí ainda memória RAM de 256 MB ou 512 MB dependendo do modelo.
Para fazer interface com outros dispositivos, a Raspberry Pi possui diversos conetores, dois terminais de vídeo, sendo estes constituídos por uma saída HDMI e uma saída de vídeo composto, duas portas USB 2.0, uma porta 10/100 ethernet, um slot para cartão SD, uma saída de áudio analógico e por fim, um banco de 26 pinos designado por GPIO (General Purpose I/O Expansion Board).
Uma vez que a Raspberry Pi é, basicamente, um computador de tamanho reduzido. Este permite realizar tarefas semelhantes às de um computador Desktop, como por exemplo executar servidores web, navegar na internet, executar processadores de texto, etc. As tarefas que a Raspberry Pi deve executar para dar suporte ao sistema de gestão e supervisão de monitorizadores de energia estão representadas na Figura 3.12.
A Raspberry Pi deverá correr três programas para preencher as necessidades do sistema, sendo eles um servidor web, uma base de dados e um programa destinado à
Comunicação serie
monitorizadores. O esquema da Figura 3.12 representa a interação entre os diferentes softwares. O servidor web é necessário para que o utilizador possa aceder à interface gráfica e configurar cada um dos monitorizadores, bem como consultar resultados. Por sua vez, os resultados de monitorizações são guardados numa base de dados MySQL. A base de dados não só guarda resultados mas também possui as configurações inseridas pelo utilizador. Por fim um programa desenvolvido em C++ é necessário para gerir dados, interpretar os comandos introduzidos na página web pelo utilizador e enviá-los para a FPGA. O programa também tem a função de receber dados vindos da FPGA e armazena- los corretamente na base de dados de modo a que estes possam ser exibidos para o utilizador do sistema.
Figura 3.12 – Relação entre os softwares executados na Raspberry Pi e com o exterior.
Para finalizar, do ponto de vista do utilizador, este apenas necessita de abrir uma página web com ao endereço da Raspberry Pi, fazer login, e usar o sistema. O acesso à página poderá ser local ou remoto. Ambos os modos apresentam vantagens e desvantagens. Usar o modo remoto é excelente para evitar deslocamentos até ao local da monitorização, permitindo acompanhar as monitorização onde quer que se esteja.
De modo a aumentar a segurança, no geral, será usado um sistema com login. Deste modo apenas utilizadores conhecedores da password poderão usufruir das funcionalidades do sistema.
3.9.
Conclusão
Da combinação entre uma FPGA e Raspberry Pi espera-se tirar partido das características únicas que ambos possuem. Por um lado, a FPGA permite aumentar a performance da própria Raspberry Pi pois ao processar toda a parte relativa à comunicação com os monitorizadores, fica mais poder de processamento disponível na Raspberry Pi para a aplicação web. Na FPGA, cada monitorizador tem o seu sistema de controlo independente e a funcionar em paralelo em relação aos outros. Por outro lado, há a Raspberry Pi, com a capacidade de funcionar como servidor web e sustentar o software necessário à gestão e supervisão dos monitorizadores. A Raspberry Pi possui, também, uma excelente relação entre preço e funcionalidades que suporta.
O dinamismo pretendido para este sistema não se reflete apenas na sua arquitetura física, espera-se que ao nível do software, este seja ser capaz de analisar e cruzar informação recebida pelos vários pontos de recolha de dados. A informação obtida pelos diversos monitorizadores é essencial para um bom entendimento do funcionamento dos equipamentos sob monitorização.
Por fim, pretende-se que, graças a uma interface web simples mas eficiente, o sistema seja fácil de utilizar por parte de qualquer utilizador.