15-140-2-PB

SISTEMA DE SUPERVISO E AQUISIO DE DADOS APLICADO A BOMBEAMENTO FOTOVOLTAICO

SUPERVISION SYSTEM AND DATALOGGER APPLIED A PHOTOVOLTAIC

PUMPING

(1) SANDRO CSAR SILVEIRA JUC

(2) PAULO CESAR MARQUES DE CARVALHO (3) FBIO TIMB BRITO

(4) ANDR TEIXEIRA DE AQUINO

(1) (3) (4) CEFET-CE UNED MARACANA - rea da indstria Maracana - CE (2) UFC - Departamento de Engenharia Eltrica Fortaleza - CE

RESUMO

O trabalho descreve um sistema de superviso e aquisio de dados microcontrolado de baixo custo (Simlogger), assim como analisa os resultados obtidos com a implementao de um sistema de bombeamento de gua que utiliza a converso fotovoltaica da energia solar para prognosticar o melhor perodo do dia para o acionamento das bombas;aumentando, dessa forma, a eficincia da energia convertida. Foram realizadas medies de valores de tenso, durante dois dias, em um motor-bomba acionado por energia solar captada por cinco painis fotovoltaicos dispostos em paralelo. As leituras foram realizadas em intervalos de 10 minutos, e o resgate dos dados foi feito utilizando-se um software de superviso que gera os grficos analgicos dos dados obtidos em um microcomputador do tipo PC. Esse sistema de aquisio possibilita o planejamento do melhor perodo para converso da energia solar em energia potencial atravs do bombeamento da gua para reservatrios elevados.

palavras-chave: sistema de superviso, aquisio dados, microcontrolador, PIC

ABSTRACT

The work describes a supervision system and a low cost microcontrolled datalogger (Simlogger), as well as analyzing the results with implementation in a pumping water system that uses the photovoltaic conversion of the solar energy to foretell optimum day period for the pumps drive increasing, thus, the converted energy efficiency. Voltage values measurements had been carried through during two days in a solar pump by five fotovoltaic panels in parallel. The readings had been carried through in 10 minutes intervals and the data rescue was made using a supervision software that generates the data analogical graphs in a personal computer. This acquisition system makes possible the planning of solar energy optimum period for conversion in potential energy through the water pumping for high reservoirs.

Key-words: supervision system, datalogger, microcontroller, PIC

Sistema de aquisio e superviso....

Revista Perspectivas da Cincia e Tecnologia v.1, n.1, jan-jun 2009.

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INTRODUO

Nos dias atuais, de elevado avano tecnolgico, a aquisio de dados dos processos imprescindvel e aplicado em diversas situaes como, por exemplo, na comprovao de dados tericos e na avaliao de potencial de fontes renovveis de energia. (FRANA, 1997).

Os equipamentos com essa finalidade ainda so pouco encontrados no mercado brasileiro, alm de apresentarem custo relativamente elevado. Diante dessa realidade foi desenvolvido um sistema de aquisio de dados de baixo custo capaz de atender s aplicaes citadas. O resgate dos dados adquiridos com o Simlogger pode ser realizado pelo software proposto ou por qualquer software monitor serial em um computador com interface EIA-232. Esse mesmo software pode configurar e gravar as memrias presentes no Simlogger, entre elas, a RAM do microcontrolador, a RAM do relgio em tempo real (RTC), a EEPROM interna e a EEPROM externa. Alm disso, a memria de programa flash do microcontrolador pode ser gravada de forma simples e direta pela mesma interface serial EIA-232 atravs de um Bootloader. Com isso, as caractersticas do sistema podem ser alteradas por meio de modificaes no programa do microcontrolador como, por exemplo, alterao na freqncia em que os dados so armazenados na memria EEPROM externa ou na configurao das entradas dos conversores analgico-digitais (ADs) e, ento, reprogramao da memria flash com facilidade.

O sistema desenvolvido foi aplicado a um sistema de bombeamento que utiliza converso fotovoltaica da energia solar, para efetuar medies de valores de tenso, em uma bomba hidrulica, em intervalos de tempo pr-determinados. Atravs dos dados obtidos, poder-se- realizar um estudo para prognosticar o melhor perodo do dia para o acionamento das bombas.

As caractersticas dos principais componentes utilizados tanto para o desenvolvimento como para a anlise do sistema, a descrio do funcionamento e as respectivas funes so apresentadas no decorrer deste artigo.

MATERIAIS E METODOLOGIA APLICADA

O Simlogger composto basicamente por um microcontrolador, uma memria EEPROM externa, e um relgio em tempo real (RTC), alm de possuir interface no padro EIA-485 para comunicao com redes industriais de controladores lgicos programveis (CLPs), atravs do transceptor MAX485, e interface no padro EIA-232 para comunicao com um computador supervisrio, atravs do transceptor MAX232. Alm disso, o sistema possui um display LCD onde pode ser visualizado a data e o horrio atual. A Figura 1 apresenta o diagrama simplificado do Simlogger.



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Microcontrolador

RTC

LCD

EEPROM

Sensores

MAX232MAX485Redes

IndustriaisCLPs

Figura 1- Diagrama simplificado do Simlogger

MICROCONTROLADOR

O modelo escolhido para ser utilizado no sistema de aquisio de dados foi o microcontrolador PIC 16F877A, que possui, entre outras caractersticas, oito conversores analgico-digitais de 10 bits, 8 Kbytes de memria de programa flash, 368 bytes de memria RAM interna, 256 bytes de memria EEPROM interna (MICROCHIP, 2003). A escolha desse modelo se deu, principalmente, por apresentar um custo relativamente baixo, alm de ser bastante difundido no mercado brasileiro, ou seja, pode ser adquirido com facilidade. Na construo do sistema, foram utilizados quatro canais, ou pinos, referentes aos conversores analgico-digitais, e sete canais de I/O (entrada/sada) para a interface com o display LCD 16x2, alm dos pinos para a comunicao no protocolo I2C com a memria EEPROM externa e com o relgio RTC.

BOOTLOADER

Em geral, a transferncia de programas para microcontroladores efetuada por meio de um hardware de gravao especfico. Como alternativa a esse mtodo, para as famlias PIC 16F e 18F, entre outras, possvel efetuar a transferncia de programas para o microcontrolador diretamente do PC. Na famlia 16F, isso possvel utilizando o San Bootloader 1.10 atravs da interface serial utilizando um conversor TTL/EIA-232 com capacitores. Para a famlia 18F, diretamente via interface USB, utilizado a ferramenta SanUSB. O bootloader funciona de forma semelhante a um sistema operacional que gerencia a transferncia de arquivos binrios para a memria de programa do microcontrolador. Aps a gravao do bootloader, a transferncia de programas pode ser realizada com a utilizao de softwares de comunicao especficos. Para obter vrios projetos, tutoriais e vdeos com esse sistema de gravao, comunicao e alimentao via USB, basta se cadastrar no grupo de acesso livre http://br.groups.yahoo.com/group/GrupoSanUSB/ e clicar no item Arquivos (Grupo SanUSB, 2008).



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MEMRIA EEPROM

A maioria dos modelos da famlia PIC 16F apresenta memria EEPROM interna, com capacidade de armazenamento de 128 ou 256 bytes. Em algumas aplicaes, a EEPROM interna ideal para guardar parmetros de inicializao ou reter valores medidos durante uma determinada operao de sensoriamento. Para um sistema de aquisio de dados, necessria uma EEPROM externa em que a capacidade seja compatvel com o nmero de sensores e com o perodo de armazenamento dos dados. Neste prottipo, optou-se pelo modelo 24C256, que possui oito pinos e apresenta, entre outras caractersticas, 256 Kbits, ou seja, 16 Kbytes de armazenamento e interface de comunicao I2C (ST, 2005).

RELGIO RTC

O Real Time Clock (RTC) DS1307 um relgio/calendrio serial de baixo custo, que possui oito pinos e controlado por um cristal externo de 32.768 Hz. A comunicao com o DS1307 , tambm, realizada por meio da interface serial I2C por um pino de clock (SCL) e um pino de dados (SDA). Esse RTC contm uma memria RAM interna onde seis bytes so configurados na forma Binary Coded Decimal (BCD) para a funo relgio/calendrio, ou seja, ele fornece hora, minuto, segundo, dia, ms e ano. Ele, ainda, oferece a possibilidade de reteno dos dados em um eventual falta de energia. Para isso, necessrio conectar uma bateria ao pino 3 (DALLAS, 2006).

PROTOCOLO DE COMUNICAO

Com o intuito de manipular e verificar o estado dos dispositivos externos e internos ao sistema de aquisio de dados, foi desenvolvido inicialmente um protocolo serial para a comunicao entre o operador do sistema e o microcontrolador, por meio de um software monitor serial, como o Hyperterminal. Aps o endereo do Simlogger (A) e da funo desejada, o operador deve inserir os dgitos X (0 a 9) necessrios para as funes mostradas na Tabela. 1.

INSTALAO DO SISTEMA

O sistema de bombeamento foi desenvolvido e montado no Laboratrio de Energias Renovveis LEA, situado no campus da Universidade Federal do Cear UFC. Ele composto por quatro tanques de armazenamento de gua, dois motores-bomba controlados por sensores de nvel (chave-bia) e acionados por energia proveniente do sol, captada por cinco mdulos fotovoltaicos dispostos em paralelo, como mostra a Figura 2.



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Endereo Simlogger

Funo

Posio

Memria

Valor

Resultados EEPROM externa

e RTC

A 4

S(Segundo)

M (Minuto)

H (Hora)

D (Dia)

N (Ms)

Y (Ano)

XX

Escrita na varivel

do relgio

RTC com o valor XX

A 5 - -

Leitura das

variveis do

relgio RTC

A 6 XX - Leitura do Buffer

do sensor XX

Tabela 1. Funes para manuteno e verificao serial nos dispositivos do Simlogger

Figura 2 Painis fotovoltaicos



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O sistema de aquisio de dados desenvolvido foi instalado de modo a realizar e armazenar medies de valores de tenso em um dos motores-bomba mostrado da Figura 3.

Figura 3 Motor-bomba

SOFTWARE

O software possui uma interface simples e de fcil utilizao, para que mesmo usurios pouco experientes no tenham dificuldade em utiliz-lo.

Atravs dele, possvel coletar os dados gravados na memria do microprocessador e plotar os dados j coletados em grfico ou planilha, alm de ajustar o relgio (RTC) e enviar comandos manualmente ao sistema.

Os dados coletados so gravados em um banco de dados para que possam ser impressos futuramente. Por ser livre e de fcil utilizao, o MYSQL foi o banco de dados livre escolhido para ser utilizado. Para que o software funcione, necessrio que o banco de dados esteja instalado.

O software dividido em quatro partes (Plotar, Coletar, Ajuste de Relgio e Terminal), como mostra a Figura 4:



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Figura 4 Aba Plotar

PLOTAGEM

A exibio dos dados j coletados pode ser feita na aba Plotar. Isso feito indicando os parmetros (dia, ms e ano) referentes aos dados que foram adquiridos pelo sistema e clicando em Plotar, como mostra a Figura 5.

Figura 5 - Parmetros

Os dados podem ser exibidos na forma de grfico, como na Figura 4, ou em Lista (planilha), como na Figura 6. Para isso basta escolher o modo de exibio mostrado na figura 6.



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Figura 6 Modo de exibio Lista

COLETA

Na aba Coletar mostrada na Figura 7, feita a coleta dos dados armazenados no Simlogger. Isso feito de forma simples, basta escolher o sensor, clicar em Coletar, e todos os dados, no perodo de um ms, sero coletados.

Figura 7 Aba Coletar



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A coleta tambm pode ser feita por dia especfico, selecionando a opo Por Dia. Escolhe-se o sensor, o dia e clica-se em Plotar. Dessa forma, os dados armazenados naquele dia sero coletados. Os dados coletados so armazenados no banco de dados (MySQL), em tabelas divididas por dia, ou seja, h uma tabela para cada dia coletado.

AJUSTE DE RELGIO

Como foi mencionado anteriormente, possvel fazer o ajuste do relgio (RTC) atravs do software. Isso feito por meio da aba Ajuste de Relgio (figura 8) de forma rpida. Para ajustar conforme o relgio do computador, basta manter a opo [Ajuste automtico] selecionada e clicar em Ajustar.

Figura 8 Aba Ajuste de Relgio

RESULTADOS E DISCUSSO

CONSTRUO E TESTES PRELIMINARES

O Simlogger foi idealizado com o intuito de desenvolver um sistema de aquisio de dados de baixo custo com redundncia contra falhas e interface de comunicao com computadores e CLPs. A placa de circuito impresso (PCB) com as dimenses 13 x 9 cm para teste do primeiro prottipo foi construda atravs de pesquisa de componentes de baixo custo e disponveis no mercado brasileiro. O sistema verifica o sinal proveniente de um sensor. Caso ele seja digital, os eventos so registrados, quando o pino conectado ao sensor aterrado, e incrementados na memria RAM. Em tempos pr-determinados pelo programador, o microcontrolador armazena a leitura do sensor na memria EEPROM



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interna (para dados horrios) e externa pelo barramento I2C (para dados dirios). A cada segundo, o processador realiza uma leitura do relgio RTC pelo barramento I2C, por interrupo do timer 1, verificando a data (dia, ms e ano) e o horrio (segundo, minuto e hora), que so mostrados em um display LCD. Caso o tempo lido seja igual ao configurado pelo programador para armazenamento de dados, o microcontrolador grava o valor indicado pelos sensores na EEPROM externa, a qual dividida, nesse caso, em 4 buffers de 64 posies reservadas para o armazenamento das variveis de cada sensor.

O sistema apresenta vrias funes que podem ser executadas atravs de comunicao serial. Os dados do relgio RTC podem ser modificados e visualizados a qualquer momento. Pode-se tambm ser visualizado um buffer referente a determinado sensor com os dados adquiridos durante determinado dia.

Para segurana contra a perda de referncia e de dados digitais armazenados na RAM devido, por exemplo, a uma eventual queda/falta de tenso no circuito, o programa do Simlogger dispe de uma estratgia que resgata o valor armazenado na ltima posio da memria EEPROM interna, e armazena-o na varivel do sensor na RAM. Isto feito gravando, em outra posio da EEPROM interna, o valor de um ponteiro que aponta para o ltimo valor armazenado do sensor na EEPROM interna, a qual funciona como um buffer de segurana que guarda os ltimos quatro valores de cada sensor em um perodo estipulado pelo programador. Assim, caso ocorra algum problema no processamento, o microcontrolador, aps o reset, verifica o valor da posio guardada no ponteiro, resgata o ltimo valor armazenado na EEPROM interna e grava na RAM, evitando a perda completa dos dados analgicos acumulados (JUC et al., 2008). A aplicao desse sistema de aquisio de dados genrica, ou seja, as entradas podem ser configuradas facilmente como digitais ou analgicas e serem reprogramadas na memria de programa atravs da interface serial, pelo bootloader. A Figura 9 apresenta uma foto ilustrativa do sistema de aquisio de dados Simlogger desenvolvido. Aps a concluso da confeco e montagem, o prottipo passou por uma fase de testes em que apresentou o resultado esperado no projeto. Para a realizao dos testes, foi utilizado um microcomputador PC para a comunicao atravs da porta serial. A partir do teclado, possvel executar todas as funes anteriormente citadas e visualizar as respostas do sistema. A reprogramao do microcontrolador, atravs do Colt Bootloader, foi testada e apresentou perfeito funcionamento.



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Figura 9 Sistema de aquisio de dados Simlogger

OBTENO E ANLISE DOS GRFICOS

O Sistema de aquisio de dados foi configurado para realizar uma leitura de tenso no motor-bomba, em intervalos de 10 em 10 minutos, e armazenar esses dados na memria externa. Os dados foram coletados entre as 6:50h da manh e 14:30h da tarde dos dias 24 e 25 de maio de 2008.

Com a utilizao do software monitor serial, foi realizada a leitura dos buffers referentes aos dois dias nos quais os dados foram coletados. Com os valores adquiridos, os grficos foram gerados e esto apresentados nas Figuras 10 e 11, respectivamente.

Analisando os grficos, pode-se observar que ocorre uma maior variao no dia 24, provavelmente devido maior ocorrncia de nuvens nesse dia. Percebe-se, tambm, o aumento da tenso no motor-bomba, no incio da manh, em ambos os grficos.

Os grficos tambm podem ser utilizados para fazer estudos sobre os horrios em que a gerao de energia maior; sendo, assim, possvel obter um maior aproveitamento da energia gerada. E por ser preciso e de baixo custo que o Simlogger mostrou ser uma ferramenta adequada para realizar estudos como esse.



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Tenso no Motor-bomba

-

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

Hora do dia

Tenso

(V

)

Figura 10 Grfico de Tenso no motor-bomba referente ao dia 24/05/2008

Tenso no Motor-bomba

-

2,004,006,008,00

10,0012,0014,0016,0018,0020,00

Hora do dia

Tenso

(V

)

Figura 11 Grfico de Tenso no motor-bomba referente ao dia 25/05/2008



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CONCLUSO

O sistema de aquisio de dados desenvolvido neste trabalho mostrou-se eficaz devido aos resultados obtidos na realizao dos testes de seu funcionamento, apresentando um comportamento de acordo com o projeto, ratificando a confiabilidade. Entre as principais caractersticas, possvel citar o armazenamento de dados relacionados com a data e o horrio em uma memria no voltil, a comunicao no padro EIA-232 utilizada para anlise de dados em sistema supervisrio em um PC, alm da possibilidade da utilizao da comunicao via serial no padro EIA-485 para aplicaes em redes industriais e com dispositivos CLPs. Outra caracterstica de fundamental importncia est na redundncia contra perda de referncia por queda de tenso no sistema. Isto se d pelo fato de ter uma bateria disposta em paralelo com a alimentao do circuito e pelo artifcio desenvolvido no firmware do microcontrolador, o qual resgata a posio do ltimo endereo escrito da EEPROM e salva na RAM aps uma reinicializao do circuito. A configurao e gravao das memrias do Simlogger, entre elas, a RAM do microcontrolador, a RAM do relgio em tempo real (RTC), a EEPROM interna e a EEPROM externa, foram testadas atravs de comandos simples pela interface serial, com velocidade transmisso de 9600bps, e no apresentaram erros. Alm disso, a memria de programa flash do microcontrolador apresentou a possibilidade de ser gravada de forma simples e direta pela mesma interface serial EIA-232 atravs do San Bootloader. Com os resultados obtidos a partir de uma aplicao real, como no sistema de bombeamento fotovoltaico mencionado neste trabalho, possvel realizar uma anlise precisa e detalhada sobre as vrias caractersticas envolvidas nos processos de determinada aplicao e utilizar essa anlise para determinar as diretrizes para a optimizao dos processos, assim como definir os preceitos para o melhor aproveitamento possvel da energia associada aplicao. Uma das grandes vantagens desse sistema, alm da eficcia e confiabilidade, est no fator econmico, pois utiliza componentes de custo relativamente baixo e de fcil disponibilidade no mercado brasileiro. Esse sistema de aquisio mostrou tambm que possvel o planejamento do melhor perodo para converso da energia solar em energia potencial, atravs do bombeamento da gua para reservatrios elevados.

AGRADECIMENTOS

Os autores deste trabalho agradecem ao BNB (Banco do Nordeste do Brasil) pelo financiamento, ao LABOMICRO (Laboratrio de Microcontroladores) e ao NAI (Ncleo de Pesquisa em Inovao da Automao Industrial) do CEFET-CE pela disponibilidade dos equipamentos.



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REFERNCIAS

DALLAS SEMICONDUCTOR. DS1307 Data Sheet. Disponvel em: http://www.sparkfun.com/datasheets/Components/DS1307.pdf. Acesso em 15 jan 2008.

[2]FRANA, J. A.; Sistemas de Aquisio de Dados Baseados em Microcontrolador; 110f; Dissertao (Mestrado em Engenharia Eltrica). Universidade Federal da Paraba; Campina Grande-PB; 1997.

GRUPO SANUSB. Arquivos do Grupo SanUSB. Disponvel em: http://br.groups.yahoo.com/group/GrupoSanUSB. Acesso em: 15 de out. 2008.

JUC, S. C. S., et al. Simlogger: sistema de aquisio de dados microcontrolado de baixo custo. In: XVII Congresso Brasileiro de Automtica (CBA 2008). Ref. 40837. Juiz de Fora. Anais... Juiz de Fora, 2008.

MAXIM DS1307. Data sheet; Disponvel em: http://www.maximic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/2688. Acesso em 8 jan 2008.

MICROCHIP TECHNOLOGY INC. PIC186F877A Data Sheet; Disponvel em: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39582b.pdf. Acesso em 10 jan 2008.

ST(2005) MICROELETRONICS. 24C256 Data Sheet; Disponvel em: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/228/160402_DS.pdf. Acesso em 15 jan 2008.

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