CoCoTA - Custumer's Consumer Telemetry Analyses

Participantes:

Gustavo Ortenzi
Alejandro Mesias

Resumo do projeto:

Utilizar a Inteligência Artificial para traçar perfis comportamentais de uso e gestão da energia em uma residência, utilizando dispositivos de HW que façam a leitura dos dados existentes sem grandes desenvolvimentos.

Descrição do projeto:

Motivação:

Notamos que a tendência de crescimento do emprego de energia solar em residências e comércios está de fato se concretizando, porém, é sabido que a geração depende de alguns fatores e o lucro em cima desta geração só é possível quando existe de fato excesso de energia na geração quando comparado ao consumo. Uma grande dificuldade no entendimento das pessoas que possuem GD é que a energia exportada e tarifada pelo medidor de energia elétrica não é igual ao informado pelo Inversor de Frequência do Sistema do GD.

Outro ponto de desconhecimento das pessoas é a água. Cada vez mais a água será um recurso finito, e a cada ano que passa, sentimos a escassez de água quando as distribuidoras iniciam os processos de corte de agua nos períodos de seca. Durante estes períodos secos, a gestão da água ganha uma importância maior, pois é de extrema importância o morador saber se ele possui água na rua, enchendo sua caixa d´água ou se ele está consumindo a água da caixa para fazer alguma atividade que possa ser deixada para depois, por exemplo.

O consumo de energia elétrica vem à tona sempre que chega a conta de luz ou quando ocorre uma mudança na tarifa, seja por mudança de bandeira ou por aumento da própria concessionária. Porém, é possível informar antecipadamente aos moradores que o consumo está alto, ou que se ele continuar no regime de consumo, os gastos estourarão. De forma análoga ao monitoramento do banho por consumo de água, o monitoramento do tempo do banho também influencia no custo da conta, uma vez que os chuveiros elétricos hoje cada vez mais possuem maior potência.

A Inteligência Artificial e Analytics vem ganhando também cada vez mais força no mundo do desenvolvimento e produtos, e nada mais interessante do que utilizá-las para traçar perfis comportamentais, regras de uso, notificações e alertas, assim como tomar algumas ações preventivas.

Associando estas quatro abordagens motivacionais, entendemos que pode sair um produto muito interessante, principalmente pelo fato da maioria das soluções de mercado estarem voltada apenas para o consumo de energia elétrica e serem importadas, existe a oportunidade de fazer uma mistura das demandas de energia seja elétrica ou hídrica, e também utilizar os dados para criar perfis e alertas via dispositivo específico, o qual esteja de pronta aparência para os usuários, não havendo a necessidade de criação e uso de SWs e/ou Apps específicos.

 

Descrição:

O projeto consiste no desenvolvimento de uma solução que permita a gestão energética de uma residência de forma mais interativa com os moradores. Destacamos que em uma residência, em geral, a pessoa não fica sabendo que está sem água por exemplo, nem que o banho está demorando demais da conta, ou mesmo que a água da caixa d’água está para acabar, de maneira mais simples. Em análises mais elaboradas, é possível verificar quais formas de comportamento os moradores podem alterar para que os custos mensais de agua e luz diminuam, como por exemplo mudando o tipo de tarifa da energia elétrica. Ainda dentro do caso de análises avançadas, com o emprego da GD, Geração Distribuída (Energia Solar por exemplo), o morador pode saber o que de fato ele está gerando de energia elétrica sustentável, e quanto de fato ele está entregando para a concessionária de volta.

Diagrama de Blocos:

Diagrama de Blocos CoCoTA

Histórico do desenvolvimento:

Desenvolvimento:

O produto consistirá de uma Base de Software e outra de Hardware o qual contará com o Firmware específico para poder executar as tarefas designadas.

De forma macro, teremos os seguintes dispositivos para atender os blocos do diagrama apresentado:

– Leitor de Pulso KWh

– Leitor de Pulso m3

– Parser 4Q

– Smart UI

– Concentrador MAR

– WebCloud

Com estes dispositivos, entendemos que será possível entregar um produto que possuí uma gama grande de possibilidades de análises e uso, e permitindo a adição das funcionalidades conforme o tempo e a maturidade alcançada.

Leitor de Pulso KWh:

O Leitor de Pulso KWh será responsável por captar os pulsos de LED do medidor de energia e disponibilizá-los de forma integralizada em 5minutos. Ou seja, através de um sensor ótico, ele consegue contar quantos pulso o medidor emitiu em um intervalo de 5 minutos e então encaminhar esta energia integralizada para o Concentrador.

A alimentação do dispositivo será via energia elétrica mesmo, uma vez que já existe a possibilidade de instalação de uma tomada no local do medidor. Será utilizado o WiFi como meio de comunicação deste dispositivo, o qual se conectará no AP do Concentrador.

Um ponto de atenção é que a caixa do Medidor não pode ser aberta, de forma que o dispositivo tem que ser capaz de ler o pulso do LED e ainda suportar a intemperes de sol e chuva, gerando uma dificuldade para a implementação.

Como cada medidor possui uma constante de medição, a constante tem que ser configurada no concentrador através do WebServer implementado nele.

 

Medidor Energia Elétrica

Figura 1. Medidor Eletrônico 4 Quadrantes (Bidirecional) eletrônico com comunicação

No detalhe vermelho da Figura 1, é mostrado o LED de pulso, que para este tipo e modelo de medidor apresenta um pulso para cada 1Wh (watt hora).

Leitor de Pulso m3:

O Leitor de Pulso m3 será responsável por capturar os pulsos ou voltas que o medidor de água, hidrômetro, registra conforme passa a água por ele. Estes pulsos também serão integralizados em períodos de 5 em 5 minutos e então descarregados no concentrador. Será utilizado um sensor ótico para identificar as voltas do medidor.

Para este dispositivo, a primeira versão utilizará alimentação por energia elétrica via fonte AC-DC, igual ao medidor de Energia, por se tratar de uma disposição na instalação próxima ao do medidor de energia elétrica. Uma nova versão será necessária ser desenvolvida para locais que o higrômetro não possua tomada próxima, e neste caso, uma fonte de alimentação via turbina de água a ser instalada na própria tubulação de entrada será instalada para gerar energia e armazenar em uma bateria, tornando um Hardware um pouco mais complexo, mas não impossível.

De forma análoga ao medidor de pulsos KWh, o medidor de pulsos m3 também apresentará a sua dificuldade de instalação devido a ação da intemperes do sol e chuva, requisitando um HW mais robusto.

A comunicação será via WiFi, idêntico ao Pulsos KWh, e a configuração da constante de pulso, também sendo configurada via Concentrador MAR.

 

Hidrômetro Residencial Analógico

Figura 2. Higrômetro

Parser 4Q:

Os medidores mais modernos, possuem uma porta de comunicação com o usuário, o qual obedece um padrão tanto de Hardware quanto de Software (protocolo), NBR 14522. Com esta saída do medidor, não é preciso agregar nenhum sensor ótico, apenas um dispositivo que condicione o sinal de um coletor aberto para os níveis de sinal da placa eletrônica, e disponibilizá-la em uma porta serial para o processador efetuar a análise dos dados via o protocolo.

O protocolo mais empregado pelos fabricantes de medidores é chamado de Piminha, desenvolvido pela Concessionária COPEL.

Em geral, estes medidores são os medidores utilizados em residências com Geração Distribuída, por possuir a capacidade de medir as energias importadas e exportadas, tanto reativa como ativa, motivo pelo qual leva o nome de Medidor 4 Quadrantes.

O dispositivo para este medidor deverá possuir uma comunicação, que no caso será WiFi, e será alimentado por uma fonte AC-DC por motivos de estar ao lado da entrada de energia elétrica e ter possibilidade de se ter uma tomada.

A tratativa dos dados poderá ser feita localmente, ou no concentrador, e a definição ocorrerá ao longo do desenvolvimento do projeto.

Por esta saída, é possível sabermos as medidas instantâneas de Potência Ativa e Aparente, tanto exportada como importada, além de alarmes do medidor.

Smart UI:

O dispositivo de interação com o usuário será responsável pela comunicação do sistema para os moradores, e terá total mobilidade dentro do alcance de RF do sistema de comunicação, que poderá ser tanto WiFi quanto BLE4.0, sendo que a definição da tecnologia de comunicação também dependerá do consumo de energia das tecnologias, uma vez que este dispositivo deverá ser alimentado por bateria e possuir o máximo de autonomia possível.

O dispositivo terá inicialmente um Display OLED, devido ao baixo consumo e facilidade na obtenção, e também ao menos um botão e dois LEDs. Com o botão, será possível desenvolver a interatividade do morador com o sistema e até com a concessionária de energia para abertura de chamados de falta de energia por exemplo, e/ou, notificações de requisição de serviço. Os LEDs indicarão que existe algum tipo de problema com alguma das fontes de energia, e com este LEDs piscando, o usuário pode interagir com o dispositivo, e então acionar o Display para que ele possa mostrar mais detalhes sobre o ALERTA.

Concentrador MAR:

O Concentrador MAR será o “Cérebro” do sistema, o qual receberá todos os dados provenientes dos dispositivos conectados via Wifi e/ou BLE e então irá armazenar estes dados em um BD e também poderá fornecer uma estrutura visual no formato de Dashboard, visualizado via WebSer e/ou Saída de Vídeo HDMI. No dash board terão as principais informações geradas e coletadas, assim como parâmetros de configuração dos dispositivos, como o valor das constantes de pulso dos medidores.

Com o emprego do GPS, será possível determinar a posição da residência, e com isto acessando dados da nuvem, através de algoritmos, analisar se os perfis de Geração de Energia Elétrica estão dentro do aceitável devido a inclinação do sol para a posição.

Sensores de Luminosidade, temperatura, umidade e tensão CA serão instalados na concentradora permitindo cruzar dados destas grandezas, cruzando com os dados dos dispositivos e então traçar perfis de interação entre todos os dados, e desta forma saber se existe relação entre temperatura e geração de energia elétrica, temperatura e consumo de energia elétrica, umidade com falta de abastecimento, e assim por diante.

Como é possível a residência ficar sem energia elétrica provida da Concessionária, um sistema de energia a bateria será utilizado no concentrador a fim de permitir o tempo de falta de energia elétrica.

O concentrador como dito será o gateway da comunicação dos dispositivos, e mais do que isso, será a inteligência em efetuar o “parser” dos dados, no caso do medidor 4Q, tratando o protocolo Piminha, e no caso mais elaborado, “escutando” a comunicação do inversor de frequência do GD para obter os dados de energia elétrica gerado pelo sistema solar, tais como tensão dos painéis, corrente gerada, e valores de tensão, corrente e potência gerados no padrão CA. Cabe aqui colocar que será um desafio, por se tratar de um protocolo fechado e não conhecido publicamente, podendo demandar mais tempo do que o previsto.

Na função gateway, além de “consumir” os dados, o concentrador também subirá os dados para a nuvem, WebCloud, via protocolo padrão da plataforma escolhida, que a princípio será o Watson/BlueMix da IBM. E assim, a necessidade de ter uma conexão com a internet, que poderá ser realizado via a dupla funcionalidade do WiFi (AP-Client) ou via Rede cabeada.

 

WebCloud:

Enquanto que o Concentrador MAR é o “cérebro”, o WebCloud será a “mente”, a inteligência. Ela tratará os dados e iniciará as tratativas de aprendizado dado alguns inputs e formas de aprendizado para poder traçar os perfis de uso energético e então iniciar a interação com os moradores da residência, criando alertas e demais propostas de melhoria de consumo visando a diminuição e economia dos recursos.

Este será o grande diferencial do projeto, agregando a inteligência artificial associado ao analytics dos dados providos dos 3 sistemas, quando houver GD, e então promover a interatividade da casa com os moradores, trazendo de fato benefícios para eles.

No primeiro momento não é considerado o controle de cargas e tudo mais, porém, no futuro, com a demanda do produto, é possível agregar funcionalidade de controle com dispositivos IoT e até mesmo a interação com sistemas como Google Home e Alexa.

 

Hardware:

Leitor de Pulso m3:

A placa de Leitor de pulso consiste num hardware com um módulo WiFi, o qual já possui processamento para adicionar as lógicas de programação, assim como dois sensores, sendo o primeiro o sensor ótico o qual fara a detecção dos pulsos da relojoaria do medidor de água, e o segundo sensor, será um medidor de temperatura digital. No primeiro prótipo, a energia (5Vcc) será fornecida pela placa Parser 4Q, instalada no medidor de energia elétrica, a qual possui uma fonte chaveada capaz de alimentar ambas as placas.

O Hardware será chamado de Hidro Sensor Board, e a 1a versão do protótipo já foi elaborada e montada. Agora aguardando o desenvolvimento do Firmware para rodar os algorítimos da mesma.

Hidro Sensor Board

 

Software/Firmware:

Durante as últimas semanas, o responsável pelo desenvolvimento do Software, está analisando as plataformas de Software na nuvem de análise de dados, Machine Learning combinadas as tecnologias de Inteligencia Artificail.

Estão sendo consideradas no estudo as plataformas da IBM (Bluemix/Watson), Amazon (AWS) e Tago.io

É indiscútivel que estamos bem propícios a utilização da Tago.io, por se tratar de uma empresa/StartUp Brasileira.

Referências: