SISTEMA DE TELEMETRIA BASEADO EM GPS/GPRS PARA ... - GSE

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
FACULDADE DE ENGENHARIA – FACULDADE DE INFORMÁTICA
CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
SISTEMA DE TELEMETRIA BASEADO EM GPS/GPRS PARA
TRANSFORMADORES DE MÉDIO E DE GRANDE PORTE
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
AUTORES:
CAROLINA MOMO METZLER
MARCELO GRANDI MANDELLI
RAFAEL NEMETZ
ORIENTADOR:
EDUARDO AUGUSTO BEZERRA
PORTO ALEGRE, 28 DE NOVEMBRO DE 2008.

AGRADECIMENTOS
Ao Professor Doutor Engenheiro Eduardo Augusto Bezerra pela sua orientação,
incentivo e oportunidades de aprendizado.
Ao Professor Engenheiro Edgar Bortolini por indicar as informações mais
relevantes para o estudo da viabilidade econômica do projeto.
Ao Mestre em Ciência da Computação Mateus Raeder pelo auxílio referente à
elaboração de textos técnicos.
Ao Engenheiro Leandro Heck pelo auxílio com Javascript.
Aos engenheiros da TRAFO Equipamentos Elétricos S/A Diretor Paulino Ribas,
Fernando Borges, José Bernardo Lehen e José Nemetz por permitir a entrada do grupo
na empresa, disponibilizar na fábrica um transformador para realização de testes e
discutir as últimas tecnologias de monitoramento de transformadores.
À Tecnóloga em Telemática Daniele Ribeiro Delmiro pelo auxílio na pesquisa
de preços dos equipamentos envolvidos.
Aos colegas Bruno de Souza Oliveira e Cícero Pitombo pelo auxílio com
questões operacionais do módulo XT65.
Aos familiares pelo suporte e incentivo na elaboração do trabalho.

RESUMO
Este documento tem por objetivo descrever um sistema de telemetria baseado
em GPS/GPRS para monitorar informações sobre temperatura e umidade em pontos
estratégicos de transformadores a óleo de médio e de grande porte. São propostas
também alternativas para incorporar monitoramento de tensão e corrente ao sistema.
Além da descrição do projeto, desenvolvimento e funcionamento do sistema,
este documento realiza também uma discussão das tecnologias envolvidas, incluindo
transformadores, sensores, microcontroladores, sistemas WEB e tecnologias
GPS/GPRS.

ABSTRACT
This document aims to describe a GPS/GPRS based telemetry system to track
information on temperature and humidity in strategic points of medium and large size
oil transformers. Alternatives for voltage and current measurements are also proposed.
This document describes not only the design and development process, but also
employed technologies including transformers, sensors, microcontrollers, WEB
applications, and GPS/GPRS.

I. SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................ 1
1.1 OBJETIVO GERAL .......................................................................................................................................... 3
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................................. 3
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO ............................................................................................................................... 4
2 TECNOLOGIAS ENVOLVIDAS................................................................................................................... 5
2.1 TRANSFORMADORES ..................................................................................................................................... 5
2.1.1 Princípio de Funcionamento ...................................................................................................... 5
2.1.2 Diferentes Tipos de Transformadores e suas Aplicações ........................................................... 6
2.1.3 Transformadores a Óleo de Médio e de Grande Porte .............................................................. 9
2.2 SENSORES ................................................................................................................................................. 11
2.2.1 Sensores Utilizados no Sistema ............................................................................................... 12
2.2.1.1 Sensor de Temperatura PT-100 ......................................................................................................... 12
2.2.1.2 Sensor de Umidade SHT7X ................................................................................................................ 13
2.3 MICROCONTROLADORES .............................................................................................................................. 14
2.3.1 Conversor AD/DA MSC1211 .................................................................................................... 15
2.3.2 Conversor A/D do MSC1211 .................................................................................................... 16
2.3.3 Placa Microcontrolada ............................................................................................................ 19
2.3.3.1 Placa QSK26A ..................................................................................................................................... 19
2.3.3.2 Placa Equipada com MSC1211 ........................................................................................................... 22
2.4 MONITORAMENTO DE TENSÃO E CORRENTE .................................................................................................... 23
2.5 GPS ......................................................................................................................................................... 26
2.5.1 Aplicações ................................................................................................................................ 27
2.5.2 Protocolo NMEA ...................................................................................................................... 29
2.6 GSM ....................................................................................................................................................... 29
2.6.1 Freqüências de Operação ........................................................................................................ 30
2.6.2 Mobile Station ......................................................................................................................... 31
2.6.3 Arquitetura da Rede ................................................................................................................ 31
2.6.3.1 Network and Switching Subsystem.................................................................................................... 32
2.6.3.2 Base Station Subsystem (BSS) ............................................................................................................ 34
2.6.3.3 Network Menagement Subsystem (NMS) ......................................................................................... 35
2.6.4 GPRS (General Packet Radio Service) ...................................................................................... 35
2.7 MÓDULO XT65 ......................................................................................................................................... 36
2.8 WEB ....................................................................................................................................................... 37
I

2.8.1 PHP .......................................................................................................................................... 37
2.8.2 Banco de Dados MySQL ........................................................................................................... 38
2.8.3 JavaScript................................................................................................................................. 38
2.8.4 Google Maps ........................................................................................................................... 39
2.8.4.1 API do Google Maps .......................................................................................................................... 39
3 ESPECIFICAÇÃO FUNCIONAL DO SISTEMA ............................................................................................ 40
4 PROJETO DO SISTEMA ......................................................................................................................... 43
4.1 PROGRAMAÇÃO DA PLACA ........................................................................................................................... 43
4.2 INTERFACE DA PLACA COM O PT-100 ............................................................................................................. 49
4.3 INTERFACE DA PLACA COM O SHT71 .............................................................................................................. 53
4.4 INTERFACE DA PLACA COM O MÓDULO XT65 .................................................................................................. 56
4.5 ALIMENTAÇÃO ........................................................................................................................................... 57
4.6 SISTEMA WEB ........................................................................................................................................... 58
4.6.1 Banco de Dados SQL ................................................................................................................ 58
4.6.2 Programação do Módulo XT65 ................................................................................................ 60
4.6.3 Página WEB ............................................................................................................................. 65
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................................................... 70
5.1 TESTES REALIZADOS .................................................................................................................................... 70
5.2 VIABILIDADE ECONÔMICA............................................................................................................................. 73
5.3 SISTEMAS COMERCIAIS DE MONITORAMENTO DE TRANSFORMADORES ................................................................. 75
5.4 CONCLUSÃO E PROJETOS FUTUROS ................................................................................................................ 76
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................................ 78
ANEXO A (CRONOGRAMA DE ATIVIDADES) ................................................................................................ 82
II

II. ÍNDICE DE SIGLAS E ABREVIATURAS
A/D – Analógico / Digital
AC – Authentication Centre
API – Application Programming Interface
ASCII – American Standard Code for Information Interchange
AVR – Automatic Voltage Regulator
BSC – Base Station Controller
BSS – Base State Subsystem
BSS – Base Station Subsystem
BTS – Base Transceiver Station
CI – Circuito Integrado
CPU – Central Processing Unit
CRC – Cyclic Redundancy Check
D/A – Digital / Analógico
DMAC – Data Management and Communications
E-GSM – Global System for Mobile Communications Extension
EIR – Equipment Identify Register
ERB – Estação Rádio Base
ETSI – European Telecommunication Standards Institute
FDMA – Frequency Division Multiple Access
GIF – Graphics Interchange Format
III

GLONASS – Global Navigation Satellite System
GND - Ground
GPRS – General Packet Radio Service
GPS – Global Positioning System
GSM – Global System for Mobile Communications
HEW – High-performance Embedded Workshop Software
HLR – Home Location Register
HTML – Hypertext Markup Language
HTTP – Hypertext Transfer Protocol
I/O – Input / Output
I2C – Inter-Integrated Circuit
IDE – Integrated Development Environment
ILS – Instrument Landing System
IMEI – International Mobile Equipment Identify
JFE – Jens File Editor
J2ME - Java 2 Micro Edition
LCD – Liquid Crystal Display
ME – Mobile Equipment
MS – Mobile Station
MSC – Mobile Services Switching Centre
NDB – Non Directional Beacon
NMEA – National Marine Electronics Association
IV

NMS – Network Management Subsystem
NSS – Network and Switching Subsystem
PC – Personal Computer
PDA – Personal Digital Assistant
PHP – Hypertext Preprocessor
PLL – Phase-Locked Loop
PS2 – Padrão de Conector Criado pela IBM
PRT – Platinium Resistance Thermometer
PWM – Pulse Width Modulation
RAM – Random Access Memory
ROM – Read Only Memory
RS232 – Padrão para Transmissão de Dados Seriais
RS485 – Padrão para Transmissão de Dados Seriais
RTD – Resistance Temperature Detector
SDCC – Small Device C Compiler
SIM – Subscriber Identity Module
SMD – Surface Mount Device
SMS – Short Message Service
SQL – Structured Query Language
TC – Transformador de Corrente
TDMA – Time Division Multiple Access
TP – Transformador de Potencial
V

UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
uC – Microcontrolador
USB – Universal Serial Bus
VLR – Visitor Location Register
VOR – Very High Frequence Omnidirectional Range
WEB – World Wide Web
VI

III. ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Princípio de Funcionamento de um Transformador ............................................. 6
Figura 2 - PT-100 Utilizado no Sistema ............................................................................ 13
Figura 3 - SHT71 [11] ...................................................................................................... 13
Figura 4 - Interface do Sensor SHT com o uC [11] ........................................................... 13
Figura 5 - Elementos de um Microcontrolador .................................................................. 14
Figura 6 - Conversor AD/DA MSC1211 ........................................................................... 16
Figura 7 - Representação Simplificada de um Conversor A/D ........................................... 17
Figura 8 - Arquitetura do Conversor A/D do MSC1211 [14] ............................................. 17
Figura 9 - Multiplexador do Conversor A/D do MSC1211 [14] ........................................ 18
Figura 10 - Placa QSK26A ............................................................................................... 20
Figura 11 - Conversor A/D da Placa QSK26A .................................................................. 21
Figura 12 - Placa Microcnotrolada Utilizada no Sistema ................................................... 22
Figura 13 - AVR da Treetech e AVR Tapcon 250 da Reinhausen [21][22] ........................ 26
Figura 14 - Arquitetura da Rede GSM [32] ....................................................................... 32
Figura 15 - Funcionamento do Sistema ............................................................................. 41
Figura 16 - Placa com MSC1211 ...................................................................................... 43
Figura 17 - Jens File Editor ............................................................................................... 45
Figura 18 - Display LCD .................................................................................................. 47
Figura 19 - Diagrama de Atividades do Software que roda no MSC1211 .......................... 48
Figura 20 - Diagrama Elétrico da Interface com o PT-100 ................................................ 50
Figura 21 - Régua de Bornes ............................................................................................. 51
Figura 22 - Saída do PT-100 a 3 fios ................................................................................. 51
Figura 23 - Placa Para Adaptação do SHT71..................................................................... 54
Figura 24 - Leitura da Umidade Relativa do Ar - Umidade = 2356 = 75.79% [11] .......... 55
Figura 25 - Demonstração da Não Linearidade da Umidade Relativa [11] ......................... 56
Figura 26 - Protocolo de Comunicação da Placa com Módulo XT65 ................................. 57
Figura 27 - NetBeans [44] ................................................................................................. 61
Figura 28 - Diagrama de Atividades do Programa que Roda no Módulo XT65 ................. 64
Figura 29 - Página Inicial .................................................................................................. 65
Figura 30 - Acesso à Área Restrita .................................................................................... 66
VII

VIII
Figura 31 - Mapa com Localização dos Transformadores.................................................. 66
Figura 32 - Mapa Mostrando Informações Atuais sobre um Transformador ...................... 67
Figura 33 - Busca por Tabela ............................................................................................ 67
Figura 34 - Configuração de Freqüência e Alarmes ........................................................... 68
Figura 35 - Gerência de Alarmes ...................................................................................... 69
Figura 36 - Gráfico de Temperatura Gerado pelo Aplicativo ............................................. 69
Figura 37 - Transformador Utilizado para Testes .............................................................. 71
Figura 38 - Inserção do SHT71 no Tubo de Sílica Gel ...................................................... 72
Figura 39 - Compartimentos do Transformador para PT-100s ........................................... 72
Figura 40 - Gráfico das Medições Realizadas Durante o Teste .......................................... 73

IV. ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Estimativa do Preço dos Equipamentos do Sistema .......................................... 73
Tabela 2 - Estimativa do Preço de Transformadores .......................................................... 74
IX

1 INTRODUÇÃO
A popularização da telefonia móvel digital impulsionou pesquisas científicas
visando sempre melhorar a qualidade do sinal, a taxa de transmissão e a segurança das
redes sem fio. Hoje existem sistemas que, além de voz, permitem transmitir dados em
alta velocidade. Como as redes de telefonia móvel abrangem uma quantidade
considerável de cidades brasileiras, se tornam uma ótima ferramenta para além da
transmissão de dados entre celulares, transmitir dados entre equipamentos, eliminando a
necessidade de cabos de dados.
Com a possibilidade de monitorar informações à distância, um grande número
de aplicações tem surgido para estas redes. Entre estas, podem ser citadas as aplicações
de telemetria, que consistem em monitorar remotamente quaisquer tipos de sensores e
medidas que possam ser convertidas em sinais digitais, muito usada na agricultura,
coletando informações climáticas de pontos estratégicos da plantação, ou em ambientes
industriais que necessitem monitoramento constante de temperatura, pressão, umidade,
entre outras grandezas. Mais poder ainda ganha a telemetria quando adicionamos a ela
outras tecnologias como sistemas de GPS (Global Positioning System).
Fornecendo as coordenadas exatas de localização, o GPS somado a um sistema
de telemetria e rede sem fio, pode disponibilizar remotamente informações sobre
localização do objeto monitorado. Na atualidade, as aplicações que mais tiram proveito
destas tecnologias integradas são nos segmentos da agro-pecuária, automobilismo e
aviação. São aplicações onde é interessante conhecer a localização dos objetos
monitorados e suas características.
No entanto, existem ainda diversas aplicações necessitando de telemetria e que
ainda não foram adequadamente exploradas, como é o caso do sistema que será
apresentado aqui. Este trabalho trata de um sistema de telemetria para transformadores a
óleo de médio e de grande porte.
1

Normalmente a coleta de informações dos transformadores em campo para
manutenção e verificação se dá através de visitas técnicas periódicas, nas quais um
técnico realiza a coleta de amostras de óleo e observa as medições locais de tensão,
corrente, temperatura e umidade [1]. Já existem alguns sistemas que fornecem estas
medições de forma digital e que facilitam a avaliação dos transformadores. A maioria
destes sistemas, porém, possui apenas saída de dados serial RS232 ou o padrão mais
moderno RS485 para monitoramento remoto, que inviabiliza cabos com distâncias
maiores que 1200 metros [2].
No transformador, a instalação de um sensor interno que mensura a temperatura
do óleo e outro externo, mensurando a temperatura ambiente, permite a obtenção da
temperatura de elevação do topo do óleo, que indica falhas e desgastes nos materiais de
isolamento. No cano de respiro que coloca o ar em contanto com o óleo interno se faz
interessante a instalação de um sensor de umidade. A umidade pode contaminar o óleo e
seu monitoramento indica a hora exata de trocar a sílica gel que é responsável por retirar
a umidade que entra no aparelho.
A visualização remota de gráficos históricos sobre as variáveis observadas serve
como uma ferramenta de estudo sobre o comportamento dos transformadores. A
possibilidade da realização de estudos como a relação da corrente com a temperatura, a
corrente consumida nas diversas fases do ano e a influência do controle da umidade na
preservação do transformador acrescentam ainda mais valor ao sistema.
Com a crescente utilização de transformadores ou subestações móveis, a
localização exata destas unidades poderá reduzir o tempo de tomada de decisão frente a
situações de emergência que normalmente ocorrem em sistemas de transmissão e
distribuição de energia elétrica. As subestações móveis minimizam perdas decorrentes
de falhas ou interrupção do fornecimento de energia elétrica que podem resultar em
multas de altíssimo valor. Para os transformadores fixos, a localização servirá como
forma de identificação da unidade.
Sendo assim, este trabalho visa utilizar tecnologias de sensores,
microcontroladores, redes de telefonia celular sem fio, sistemas de localização e Internet
para suprir as carências que ainda existem no mercado de telemetria para
transformadores. À longa distância, sem necessidade de ir a campo, o técnico terá
2

conhecimento prévio de informações importantes para verificações de rotina,
necessidade de troca de peças, ou busca de algum problema específico.
1.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral do sistema é disponibilizar na Internet um mapa mostrando a
localização e dados atuais ou gráficos históricos sobre temperatura e umidade em pontos
pré-determinados dos transformadores equipados com o sistema. O documento
apresenta também alternativas para incorporar ao sistema a capacidade de
monitoramento de tensão e corrente da rede.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Estudar transformadores de potência e suas necessidades atuais de supervisão e
monitoramento remoto;
- exercitar, em uma aplicação real, os conceitos de programação em linguagem C
para sistemas embarcados;
- realizar a interface entre diferentes tipos de sensores externos (digitais e analógicos)
com um microcontrolador comercial;
- efetuar a comunicação entre diferentes módulos microprocessados que funcionam
em diferentes plataformas;
- estudar o funcionamento da rede de telefonia celular GSM/GPRS;
- estudar o módulo GPS/GPRS XT65 da Siemens;
- programar o módulo XT65 em Java para coletar dados da porta serial, enviar dados
por GPRS, receber mensagens SMS e adquirir sua posição por GPS;
- estudar o protocolo de GPS NMEA para coletar apenas informações relevantes e
reduzir a quantidade de informações transmitidas;
- construir um servidor na linguagem de programação PHP onde serão postados os
dados emitidos por GPRS;
3

- utilizar softwares para criar layouts de páginas HTML;
- construir um banco de dados SQL para armazenar informações históricas sobre as
variáveis monitoradas;
- integrar todas as tecnologias estudadas e fazê-las funcionar em conjunto;
- realizar testes reais em transformadores de potência;
- analisar resultados obtidos e potencialidades de sucesso do produto no mercado;
- adquirir experiência e conhecer os problemas de gestão de projetos na área de
engenharia de computação.
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO
No Capítulo 1 foi realizada uma introdução aos sistemas de telemetria. Foram
apresentadas as carências do mercado na área e as principais motivações que
determinaram as características do sistema construído. Os objetivos gerais e específicos
do trabalho também foram expostos neste capítulo. No Capítulo 2 é apresentada a
fundamentação teórica de todas as tecnologias envolvidas no sistema, tais como
transformadores, sensores, microcontroladores, opções para monitoramento de tensão e
corrente, GPS, GSM, módulo XT65 da Siemens e sistemas WEB. O Capítulo 3
apresenta a especificação funcional do sistema. Ele descreve como devem ser o seu
funcionamento e comportamento. O Capítulo 4 apresenta a descrição completa a
respeito da construção do projeto. O capítulo contém relatórios detalhados sobre as
diferentes etapas da construção. No Capítulo 5 estão os testes realizados, questões
financeiras referentes à viabilidade econômica do projeto, sistemas comerciais de
monitoramento de transformadores, projetos futuros e demais conclusões a respeito de
todo o trabalho. No Capítulo 6 estão as referências bibliográficas.
4

2 TECNOLOGIAS ENVOLVIDAS
2.1 TRANSFORMADORES
Transformadores são máquinas eletromagnéticas que, no seu conceito mais
simples, transformam um nível de tensão elétrica em outro com o objetivo de transmitir
energia a um baixo custo (elevação da tensão) ou adequar este nível para sua utilização
de forma segura dentro das residências e indústrias (rebaixamento da tensão) [3].
Basicamente um transformador consiste de bobinas de um material condutor
(cobre ou alumínio), um núcleo magnético formado por diversas chapas de FeSi (ferro
silício), cantoneiras de ferro que prensam o núcleo, materiais isolantes especiais e óleo
isolante no caso de transformadores a óleo.
2.1.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
A transformação de um nível de tensão para outro se dá pela indução
eletromagnética através do núcleo de FeSi. Ao se energizar uma das bobinas
(enrolamento primário) com uma tensão elétrica, na outra bobina (enrolamento
secundário) surge uma tensão elétrica proporcional ao número de espiras. Esta
transferência de tensão ocorre sem qualquer contato físico entre as bobinas, estando
baseada no princípio eletromagnético da lei de Faraday [4] (variação do fluxo de
indução causa tensão induzida).
5

Figura 1 - Princípio de Funcionamento de um Transformador
V1
N1
I2
Fórmula: = = [5]
V 2 N2
I1
V1 = Tensão de entrada
V2 = Tensão de saída
I1 = Corrente de entrada
I2 = Corrente de saída
N1 = Número de espiras do enrolamento primário
N2 = Número de espiras do enrolamento secundário
Observa-se na Figura 1 que o transformador encontra-se com o enrolamento
secundário em aberto (circuito em vazio). No momento em que forem interligados os
terminais do secundário através de uma carga ou mesmo um curto circuito direto, obter-
se-á a circulação de correntes inversamente proporcionais à tensão.
2.1.2 DIFERENTES TIPOS DE TRANSFORMADORES E SUAS APLICAÇÕES
Existem diversos tipos de transformadores disponíveis comercialmente, que se
diferenciam conforme as aplicações a que se destinam. Entre os mais conhecidos pode-
se citar: transformadores elétricos de potência, transformadores elétricos de distribuição,
autotransformadores, reguladores de tensão, transformadores de corrente e de potencial,
transformadores secos, transformadores de aterramento, reatores, transformadores ou
subestações móveis e transformadores para circuitos eletrônicos [6].
- Transformadores Elétricos de Potência
6

Transformadores de médio e de grande porte utilizados para a
transformação de grandes potências no sistema elétrico de potência das
concessionárias de energia elétrica. Podem estar nas usinas para elevação e
posterior transmissão em grandes distâncias e para rebaixamento próximo aos
grandes centros de consumo urbano.
- Transformadores Elétricos de Distribuição
Transformadores utilizados para o rebaixamento da tensão junto aos
pontos de consumo final. São os transformadores mais conhecidos, pois se
encontram presos aos postes nas ruas ou dentro de cabines em grandes prédios e
indústrias.
- Autotransformadores
São transformadores que podem ser enquadrados nos dois itens
anteriores. O diferencial é que o enrolamento primário e secundário encontram-
se fisicamente interligados na mesma bobina. Isto ocorre por questões
econômicas (parte do enrolamento é utilizada tanto para o primário quanto para
o secundário). O principal fator para sua utilização é que a diferença de tensão
especificada entre a sua entrada e a sua saída seja pequena (50% ou menos).
- Reguladores de Tensão
São transformadores utilizados para manter a saída de tensão constante
em um determinado nível nas redes elétricas que sofrem oscilações dentro de
uma determinada faixa. Estas oscilações podem provocar sérios prejuízos tanto
para um sistema de grande potência quanto para uma pequena carga residencial,
danificando aparelhos e prejudicando o sistema elétrico.
- Transformadores de Corrente (TC) e de Potencial (TP)
São transformadores utilizados para medição e proteção das redes
elétricas. Rebaixam a corrente (TC) e/ou a tensão (TP) para níveis adequados
aos instrumentos de medição ou de proteção. Devem apresentar uma exatidão
dentro das especificações requeridas para a sua aplicação.
7

- Transformadores Secos
São transformadores que possuem a vantagem de terem uma baixa
manutenção por não utilizarem o óleo isolante. Possuem características que
atendem requisitos de segurança referentes a não propagação de fogo em casos
de falhas. A limitação do seu uso está focada em problemas de desenvolvimento
técnico para tensões acima de 38kV e nas altas potência por tornar-se
economicamente inviável.
- Transformadores de Aterramento
São transformadores especiais utilizados em “sistemas trifásicos sem
neutro, com a finalidade de prover um neutro acessível onde o sistema possa ser
aterrado” [7].
- Reatores
São transformadores utilizados para ligar em paralelo nas redes elétricas
com o objetivo de manter uma carga indutiva mínima mantendo as
características elétricas da rede dentro de parâmetros aceitáveis. Também
existem reatores que são instalados em série com a rede, objetivando inserir uma
impedância para limitação dos níveis de curto circuito.
- Transformadores e Subestações Móveis
São transformadores cujo projeto é específico para a sua adaptação sobre
caminhões semi-reboques, sendo de grande importância aspectos como
dimensão, peso e redução de vibração, uma vez que deverão transitar pelas
estradas. São utilizados para substituir transformadores que apresentam defeitos,
minimizando o tempo de corte de energia elétrica, fato que também minimiza os
altos custos das multas que são impostas às empresas de energia nestes casos.
São aproveitados também para manutenções programadas por trazerem
rapidamente uma pronta substituição do transformador a ser revisado.
Já existem diversos transformadores móveis cujo óleo isolante tipo
mineral foi substituído pelo óleo isolante tipo vegetal, que são incombustíveis e
não causam danos ambientais em casos de vazamento. Isto é de grande valor
8

para os transformadores móveis, pois estão sempre sendo deslocados, correndo
perigo de sofrerem colisões.
A diferença fundamental entre um transformador e uma subestação
móvel é que nesta, além do transformador, estão integrados também
componentes como: disjuntores, seccionadores, pára-raios, transformadores para
circuitos auxiliares. Muitas vezes estes componentes demandam um semi-
reboque adicional. A vantagem das subestações está no fato de não dependerem
de nenhum acessório da subestação onde vai ser aplicada, aspecto que pode se
tornar importante quando uma falha atinge diversos equipamentos além do
transformador. O custo-benefício deve ser ponderado, pois envolve elevados
custos.
- Transformadores para Circuitos Eletrônicos
São pequenos transformadores utilizados em equipamentos eletrônicos
tais como fontes de alimentação e pontes de retificação.
2.1.3 TRANSFORMADORES A ÓLEO DE MÉDIO E DE GRANDE PORTE
Os transformadores a óleo de médio e grande porte são enquadrados nas
classificações de transformadores elétricos de potência, autotransformadores e
transformadores móveis. Encontram-se em sistemas de geração, transmissão e
distribuição de energia elétrica, bem como em indústrias de grande porte.
A parte ativa destes transformadores (núcleo e bobinas) é instalada dentro de um
tanque onde ficam totalmente submersas no óleo isolante. Este óleo tem a função de
criar um meio isolante entre as diversas partes energizadas, permitindo distâncias
menores, sem descargas elétricas. O óleo também faz parte do sistema de refrigeração,
mantendo a temperatura dentro dos limites permitidos.
Desta forma, deve-se dar especial atenção às características do óleo isolante,
pois a presença de umidade ou contaminantes no mesmo pode ocasionar sérios danos.
Por este motivo, no óleo a ser utilizado, além do controle das características físico-
químicas específicas, se realiza um tratamento termo-vácuo para a retirada da umidade,
sendo desejáveis valores abaixo de 20ppm. Também se faz um tratamento térmico na
9

parte ativa para eliminar a umidade das bobinas, do material isolante (papel, papelão e
madeira) e do núcleo. É muito utilizado o sistema de vaporphase, no qual se injeta um
solvente vaporizado e simultaneamente realiza-se vácuo, obtendo-se uma impregnação
rápida do vapor quente e uma remoção eficiente da umidade através do vácuo. Após
todo este cuidado, conclui-se que durante a sua operação deve-se evitar ao máximo que
a umidade contamine o óleo isolante ocasionando a redução de suas propriedades
isolantes. Cada vez que o conteúdo de umidade do isolamento se duplica, se reduzirá
pela metade a expectativa de vida do transformador [8].
Existem alguns tipos construtivos para preservação do óleo evitando o seu
contato com fontes de umidade como o ar. Atualmente é amplamente utilizado o
sistema de preservação do óleo através de um tanque de expansão localizado na parte
superior do transformador. Este tanque é ligado ao tanque principal através de um tubo
onde, freqüentemente, instala-se um dispositivo de proteção denominado de relé
buchholz que atua como detector de gás. O tanque de expansão, usualmente, é provido
de uma bolsa de borracha que impede o contato do óleo isolante diretamente com o ar
atmosférico. Saindo do interior da bolsa, existe uma tubulação de saída para o ar
chamada de cano respirador. Ela permite que a bolsa se expanda e contraia conforme a
dilatação do óleo frente às variações de temperatura. O respirador possui um secador de
ar do tipo sílica gel para evitar a entrada de umidade. Em casos de inexistência da bolsa,
o respiro permite o contato do ar diretamente com o óleo do conservador, aumentando a
responsabilidade das condições da sílica gel. Em sistemas mais modernos, há um
sistema de compensação de pressão através de um tubo de gás super seco. Sua
utilização, no entanto, ainda é muito reduzida.
A sílica gel tem papel muito importante na prevenção da entrada de umidade no
transformador e, normalmente, a sua troca ocorre de tempos em tempos, ou baseada na
sua mudança de cor (uma forma pouco precisa e pouco eficiente). A sílica gel custa
aproximadamente R$45,00 o quilo nos fornecedores DPV e Indubras, podendo cada
compartimento conter mais de 10 quilos. Se um sensor de umidade for instalado no
cano respirador, o momento exato de efetuar a troca da sílica pode ser estimado,
podendo representar uma economia significativa.
10

A temperatura de operação de um transformador deve ser mantida dentro dos
limites para o qual foi projetado, uma vez que a sua ultrapassagem traz perda de vida
útil devido à deterioração do material isolante. A refrigeração dos transformadores a
óleo ocorre pela circulação natural ou forçada do óleo. A circulação natural (convecção)
faz com que o óleo aquecido suba e circule através dos radiadores retornando frio para a
parte inferior. Estes radiadores podem ter ventiladores para acelerar a troca de calor com
o ambiente. A circulação forçada acontece através de bombas que forçam a circulação
do óleo através de um trocador de calor retornando resfriado para o transformador.
Para a medição da temperatura do transformador existem poços na tampa do seu
tanque que permitem a inserção de sensores. Estes sensores medirão a temperatura do
topo do óleo, ponto onde ele se encontra mais quente. Por tratar-se de um sistema muito
caro e trazer diversas dificuldades devido a alta tensão nas bobinas, normalmente não
são aplicados sensores para medir a temperatura direta do cobre. Ela é medida de forma
indireta, utilizando os resultados de ensaios de elevação de temperatura nos quais
determina-se o salto térmico do enrolamento sobre o topo do óleo.
Os transformadores, exceto especificação contrária, são projetados para uma
temperatura ambiente máxima de 40°C. Assim, conhecendo-se a classe térmica do
transformador, por exemplo, Classe A (temperatura máxima de 105°C ou elevação de
temperatura sobre o ambiente de 65°C), podemos através da temperatura do topo do
óleo ou através de sua elevação sobre o ambiente, saber exatamente se o limite
especificado foi atingido.
2.2 SENSORES
Sensores são dispositivos que percebem sinais ou estímulos de grandezas físicas
e, a partir deles, alteram o seu comportamento [9]. Para que este comportamento possa
ser transformado em um sinal elétrico (de forma a tornar possível fazer medições
eletronicamente), são utilizados dispositivos chamados de transdutores.
Os sensores podem ser indutivos (perceber variação do campo magnético),
capacitivos (perceber variação na capacitância), resistivos (perceber variação da
11

esistência), ópticos (perceber variação da luz), dentre outros que podem perceber
radiação, vibração, gravidade, elementos químicos. A partir destes sensores, é possível
medir luz, som, temperatura, pressão, umidade, resistência elétrica, tensão elétrica,
corrente elétrica, proximidade, velocidade, posição, vazão, etc.
2.2.1 SENSORES UTILIZADOS NO SISTEMA
No sistema de telemetria que será descrito aqui são monitoradas apenas
grandezas de temperatura e umidade. Alternativas para monitoramento de tensão e
corrente também são fornecidas. Nas seções que seguem, encontram-se informações
sobre os sensores que serão utilizados para mensurar temperatura e umidade.
2.2.1.1 Sensor de Temperatura PT-100
O PT-100 é um tipo de sensor de temperatura muito usado no âmbito industrial
por ser preciso, estável e ter alta durabilidade. Este dispositivo pertence a família de
sensores chamada de termo-resistências ou RTD (Resistance Temperature Detector).
Assim são chamados por serem baseados na variação da resistência de um metal.
Também conhecido como PRT (Platinium Resistance Thermometer), ele é um metal de
platina, e caracteriza-se por ter uma resistência ôhmica de 100Ω à 0°C e 138.4 Ω à
100°C [9].
Por ter uma variação de resistência praticamente linear, variando em torno de
0.384 Ω a cada 1°C, fica fácil gerar uma equação que obtenha a temperatura a partir da
resistência ôhmica [9]. Por conseguinte, o PT-100 já é o sensor de temperatura padrão
utilizado em quase todos os transformadores.
De acordo com a qualidade do metal, os sensores podem apresentar curvas de
convergência diferentes. Sensores de alto custo, produzidos com metais de qualidade,
podem apresentar uma curva de resposta rápida, enquanto que sensores de baixo custo
podem demorar até convergir para o valor de temperatura real do ambiente ao qual estão
expostos. A Figura 2 mostra o PT-100 utilizado nos testes do sistema.
12

2.2.1.2 Sensor de Umidade SHT7X
Figura 2 - PT-100 Utilizado no Sistema
Sensores de umidade são, na sua maioria, sensores capacitivos, formados por um
polímero entre dois eletrodos condutores. A mudança na constante dielétrica de um
sensor de umidade capacitivo é diretamente proporcional à umidade relativa do ar no
ambiente [10].
Os chips da família SHT7x consistem em um sensor capacitivo de umidade de
alta estabilidade e um sensor de temperatura. Os SHT7X permitem operações de leitura
e configuração e já possuem integrado um conversor A/D de 14 bits.
O chip possui 4 pinos e pode ser conectado diretamente ao microcontrolador da
seguinte forma:
Figura 3 - SHT71 [11]
Figura 4 - Interface do Sensor SHT com o uC [11]
13

O pino DATA é bidirecional e pode ser usado tanto para configuração quanto
para leitura dos sensores. O pino SCK é utilizado para sincronização da comunicação
[11]. No Capítulo 4.3, quando for tratada a interface do SHT71 com os outros módulos
do sistema, serão fornecidos maiores detalhes sobre o protocolo de comunicação
específico utilizado pelo SHT71.
2.3 MICROCONTROLADORES
Microcontroladores são usados em sistemas embarcados que não necessitam de
poder computacional e de recursos existentes em desktops e notebooks. Os
microcontroladores são chips que agregam as principais funcionalidades de um
computador, acrescidos de funcionalidades específicas para uso em sistemas
embarcados. Estão presentes nos mais diversos aparelhos tais como carros, televisões,
rádios, máquinas fotográficas digitais, microondas, elevadores.
Por estarem agregados dentro de um único chip memória, CPU, timers,
contadores, UARTs, controladores de interrupção, portas paralelas, conversores
AD/DA, ente outros, os microcontroladores possuem uma grande limitação de recursos
comparados aos computadores, mas adquirem substancial vantagem por seu pequeno
tamanho e baixo preço em relação a computadores completos. Entende-se por
microcontrolador quando a unidade central de processamento, juntamente com as
memórias e periféricos encontram-se dentro de um único chip [12].
Figura 5 - Elementos de um Microcontrolador
14

Em sistemas embarcados existe um software dedicado ao controle do hardware
chamado de firmware, que encontra-se normalmente presente em uma memória não
volátil. O firmware é específico para cada processador.
Existem diversos modelos com diferentes arquiteturas de microcontroladores no
mercado. Os modelos mais comuns são microcontroladores baseados nas arquiteturas
8051, Zilog Z80, PIC e ARM. Na atualidade, se tem como exemplo a família de
conversores A/D com microcontrolador MSCx da Texas, baseada na arquitetura 8051 e
o microcontrolador TMS470 baseado na arquitetura ARM. Os preços dos chips variam
muito, podendo custar desde alguns centavos a centenas de dólares. No sistema
construído foi utilizada uma placa com o microcontrolador MSC1211Y5.
2.3.1 CONVERSOR AD/DA MSC1211
O MSC1211 é um conversor A/D produzido pela Texas Instruments e seu
microcontrolador integrado é baseado na arquitetura 8051, arquitetura que está entre as
mais populares devido a sua simplicidade de programação e ao seu poderoso conjunto
de instruções. Nos microcontroladores baseados nesta arquitetura, a memória de dados
se encontra separada da memória onde está o programa, tornando-se mais veloz que as
arquiteturas nas quais não se pode executar o programa paralelamente com a busca de
dados na memória.
A escolha do 8051 do MSC1211 em meio a outros processadores mais
modernos, com maior capacidade de armazenamento e com opções de debug, deve-se
ao seu conversor A/D preciso, com resolução de 24 bits. Os outros microcontroladores
não costumam possuir conversor A/D com resolução maior que 10 bits, e outros chips
especializados em conversão A/D de alta resolução são caros. O projeto de telemetria
especificado aqui utiliza sensores analógicos que não forneceriam o resultado desejado
com conversores de baixa resolução. A Figura 6 mostra o chip MSC1211Y5.
15

Figura 6 - Conversor AD/DA MSC1211
O MSC1211[13] possui um conversor A/D bipolar de 24 bits com 10 canais
multiplexados, conversor D/A de 16 bits, sensor interno de temperatura, 4 clocks por
ciclo de instrução, 32kB de memória flash, 64kB de memória externa, 2kB de memória
ROM para o boot, 34 pinos de I/O, acumulador de 32 bits, 3 timers de 16 bits, watchdog
timer (monitora a execução e reinicializa em caso de erro), 2 UARTs, multi-master I²C,
PWM de 16 bits, 2 interrupções externas.
2.3.2 CONVERSOR A/D DO MSC1211
Um conversor analógico/digital tem por função converter um sinal de tensão
analógico de uma entrada em uma saída binária, como ilustrado pela Figura 7.
16

Figura 7 - Representação Simplificada de um Conversor A/D
A Figura 7 faz uma representação didática e simplificada de um conversor A/D
com 8 bits de resolução. Neste caso, Vref- determina a tensão de entrada para a qual o
valor de saída será 0 e Vref+ a tensão para qual o valor será 255 (valor decimal máximo
quando todos os bits da saída são 1). Este circuito é capaz de converter em um valor
digital 255 (2 º ) valores para Vin (tensão de entrada) entre Vref+ e Vref-.
O conversor A/D do MSC1211 possui 24 bits de resolução. A Figura 8 apresenta
a arquitetura do conversor.
Figura 8 - Arquitetura do Conversor A/D do MSC1211 [14]
17

Na Figura 8 pode-se observar que, assim como o exemplo apresentado na Figura
7, o conversor do MSC1211 também possui as entradas de referência Vref+ e Vref-. No
MSC1211 a diferença entre Vref+ e Vref- não pode ultrapassar 5V. Quando não são
usadas as tensões de referência externas, o conversor pode ser configurado para operar
com tensões de referência que ele gera internamente: 1.25V ou 2.5V. O conversor
alimenta a saída Vrefout com a tensão de referência interna configurada. Pode-se
também observar que a entrada analógica possui 8 canais. Estes 8 canais são
multiplexados e o conversor pode ler um de cada vez, adquirindo 10 sinais diferentes. A
Figura 9 apresenta o esquemático do multiplexador.
Figura 9 - Multiplexador do Conversor A/D do MSC1211 [14]
O décimo canal, que não aparece como pino de entrada no multiplexador, é
utilizado pelo sensor de temperatura interno. O conversor do MSC1211 é bipolar,
podendo medir tensões tanto positivas quanto negativas. Para tal, deve-se configurar as
portas de entrada. Por padrão, as portas Ain pares são positivas e as Ain ímpares são
negativas. Se o conversor está configurado para modo bipolar, podem ser medidas
tensões de -Vref até +Vref. Se não forem necessárias medições negativas e positivas
simultaneamente, ele pode ser configurado para trabalhar em modo unipolar, ganhando
18

em resolução, pois os 24 estarão medindo uma faixa de variação de tensão menor (0V a
+Vref ou –Vref a 0V) [14].
2.3.3 PLACA MICROCONTROLADA
Para utilização de um microcontrolador é necessária uma placa que forneça
pinos de entrada e saída, circuitos de alimentação, circuitos de adequação de tensão para
saídas de diferentes padrões de comunicação, periféricos, entre outros. Normalmente,
em projetos comerciais, a placa é projetada especificamente para a sua função. Como o
objetivo deste projeto não inclui construir um layout e fabricar uma placa, foram
analisados dois modelos de plataformas de prototipação prontas, cada uma com uma
arquitetura diferente de microcontrolador.
2.3.3.1 Placa QSK26A
A idéia inicial do projeto era utilizar uma placa criada para uso acadêmico
equipada com um microcontrolador baseado na arquitetura M16C. A placa seria do
modelo QSK26A, da Renesas, que possui o microcontrolador M30260F8AGP, pertencente
à família M16C/26A. O M30260F8AGP possui freqüência máxima de operação de 24
MHz quando utilizado o sintetizador PLL (Phase-Locked Loop), normalmente utilizado
para aplicações sem fio [15][16].
O M30260F8AGP possui um timer multifuncional de dezesseis bits, uma UART
(Universal asynchronous receiver/transmitter), um conversor A/D de 10 bits com oito
canais, DMAC (Data Management and Communications) e Cyclic Reduncancy Check
(CRC) para prevenir erros de dados. Possui também Watchdog timer (monitora a
execução e reinicializa o sistema em casos de erro), circuito de geração de clock,
detecção de voltagem e uma memória flash de 64KB com 62KB para uso como
memória ROM (Read Only Memory) e 2KB para uso como memória RAM (Random
Access Memory) [12]. Além disso, a placa dispõe de 4 pushbuttons e 4 colunas de 25
pinos de I/O.
Os compiladores que acompanham a placa QSK26A quando comprada do
próprio fabricante suportam duas linguagens: Assembly (linguagem de baixo nível) e C.
19

O M16C/26A possui 123 instruções mnemônicas para programação Assembly. A
QSK26A possui um ambiente de programação IDE (Integrated Development
Environment) chamado HEW (High-performance Embedded Workshop Software) [15].
A Renesas oferece também o HEW Target Server que faz a interface entre o Microsoft
Visual Studio e o HEW. O HEW é um ambiente completo que permite construir
programas em C, compilar e baixar para a placa. O download para
a placa ocorre por uma interface USB conectada entre a placa e um PC. A Figura 10
mostra a placa QSK26A.
Figura 10 - Placa QSK26A
Esta placa oferece mais memória e um ambiente de programação alto nível mais
moderno que a placa utilizada no sistema. Ela oferece, por exemplo, um sistema de
debug que facilita muito a programação. Porém, foi no momento do estudo do
funcionamento do seu conversor A/D que se chegou a conclusão de que seu uso
dificultaria a aquisição da temperatura do PT-100. A Figura 11 mostra a parte do
esquemático da placa referente ao conversor A/D.
20

Figura 11 - Conversor A/D da Placa QSK26A
Diferentemente do conversor A/D do MSC1211, que pode utilizar uma tensão de
referência interna quando desejado, o conversor do M30260F8AGP necessita
obrigatoriamente de uma tensão de referência externa para operar. A placa QSK26A já
traz de fábrica um circuito analógico para medir temperatura de uma RTD (Resistance
Thermometer Detector) ou termoresistência RT101. O objetivo deste circuito é apenas
servir como exemplo de uma aplicação que utiliza o conversor A/D. No entanto, neste
circuito, no pino de entrada da tensão de referência, foi colocado um resistor SMD
(Surface Mount Device) de 10KΩ ligado ao VCC da placa. Este circuito que vem
soldado na placa limita o uso de todos os canais do conversor A/D. Por ser um resistor
muito alto, a tensão de referência máxima fica pequena e, conforme o desenho do
circuito, irá variar juntamente com a temperatura percebida pela RTD. Por conseguinte,
a construção de um circuito para aquisição da temperatura de um PT-100 fica
impossibilitada. Agravando ainda mais a situação, os 10 bits de resolução do conversor
A/D, a uma baixa tensão de referência, não teriam resolução suficiente para fornecer
uma escala de pelo menos 1ºC de temperatura. No Capítulo 4.2 há mais detalhes sobre a
obtenção de uma boa leitura de temperatura do PT-100.
21

2.3.3.2 Placa Equipada com MSC1211
Por ser uma placa desenvolvida pelo próprio grupo de desenvolvedores deste
sistema em conjunto com outros alunos de Engenharia de Computação, é uma placa
com a qual já se tinha grande familiaridade. Além disto, este modelo pode ser
encontrado em grande quantidade dentro da universidade, facilitando a aquisição de
novas placas caso alguma das utilizadas durante os testes apresentasse algum tipo de
problema. Outra vantagem de seu uso está no seu conversor A/D, que possui 24 bits de
resolução e precisão maior que a maioria dos conversores do mercado, que
normalmente não ultrapassam os 10 bits de resolução. Foram estes motivos que
forçaram pela opção da implementação do sistema na placa com o MSC1211. A Figura
12 é uma fotografia da placa.
Figura 12 - Placa Microcnotrolada Utilizada no Sistema
22

Além de um chip MSC1211Y5, a placa consta de um chip MAX232 (converte a
tensão de entrada/saída da UART do microcontrolador de 0V e 5V para a tensão
utilizada pelo protocolo de comunicação RS232 de +12V e -12V), um chip USB FTDI
(gateway USB/serial que permite que o computador se comunique com a UART da
placa através da porta USB), um leitor de cartão smart card, um chip PCDF8574 para
comunicação no protocolo I²C, dois chips TPIC0108 utilizados como driver de potência
para que possam ser ligados motores ou outros dispositivos que trabalham com tensão
externa. Além destes periféricos, a placa conta com um display LCD 20x4, um buzzer e
conectores serial, PS2, USB e diversos pinos para entrada e saída para sinais analógicos
e sinais digitais de uso geral.
Apesar da escolha desta placa, é possível a utilização de outras placas e de outros
microcontroladores desde que os pinos de um conversor A/D disponível estejam livres
para conexão de sinais externos. Esta placa foi criada para fins acadêmicos, sendo de
fácil aquisição. Como o programa é escrito em C, uma linguagem com nível de
abstração acessível, não há maiores impedimentos para se realizar uma transição
completa de ambiente.
2.4 MONITORAMENTO DE TENSÃO E CORRENTE
Para o monitoramento de tensão e corrente, seria necessário ter acesso a um
transformador energizado por tempo indeterminado até que os testes e calibrações
apresentassem boa precisão. Tal fato dificulta o trabalho, pois a região ao redor do
transformador trata-se de uma área de periculosidade que exige o acompanhamento de
pessoa autorizada, além de um treinamento específico sobre normas de segurança [17].
O monitoramento destas grandezas, no entanto, é simples, e sugestões para realizá-lo
serão fornecidas no decorrer do capítulo.
Existem algumas alternativas quando se deseja monitorar tensão e corrente em
transformadores. Estas alternativas oferecem vantagens e desvantagens de acordo com
as tecnologias disponíveis. Para a realização das medições é necessário rebaixar a
tensão e a corrente circulante no transformador para que possam servir de entrada para
23

os circuitos de medição. Tal atenuação é obtida através de transformadores de potencial
(TPs) e transformadores de corrente (TCs), presentes nas três fases dos transformadores,
nas entradas e nas saídas. Os TCs, normalmente, já vêm instalados internamente no
transformador. Já os TPs, são externos e estão presentes nas instalações do próprio
transformador.
As tensões nas três fases do transformador são próximas e medir apenas uma fase
é suficiente. Já a corrente, pode variar conforme a carga em cada fase. No entanto, as
concessionárias procuram manter um equilíbrio de carga entre as fases [18]. Serão
discutidas aqui formas de se medir tensão e corrente em apenas uma das fases, não
havendo impedimentos para monitorar as três fases, desde que existam suficientes
portas ou canais de entrada no aparelho de monitoramento.
Abaixo são sugeridas três alternativas para monitoramento da tensão e corrente:
- Monitoramento com o uso de Multímetros Digitais
Conforme a disponibilidade de portas de comunicação digitais do
dispositivo de monitoramento, multímetros com saída digital de mesmo
protocolo podem ser utilizados. Os multímetros estarão conectados aos TPs ou
TCs que se deseja monitorar, configurados para medir tensão ou corrente. Suas
saídas digitais ficam conectadas à placa de monitoramento utilizando o seu
protocolo de comunicação (RS232, RS485, I²C, modbus, entre outros).
- Medição com Aquisição do Sinal Diretamente na Placa
Os sinais de tensão e corrente dos secundários dos TPs e TCs são
atenuados, porém ainda não o são suficientemente para entrarem em um
conversor A/D com um microcontrolador integrado. Com o propósito de atenuar
ainda mais os sinais, um circuito resistivo de divisão de tensão pode ser
acoplado às saídas dos TPs e TCs. Uma vez que o nível dos sinais estiver
adequado para o conversor, este irá receber o sinal alternado senoidal. Desta
forma, além das tensões e correntes efetivas, informações sobre valores de pico e
freqüência também podem ser calculados.
24

Quando o conversor A/D não funcionar em modo bipolar, ou não for
necessário obter tantas informações sobre o sinal, um circuito de retificação
pode ser construído, a fim de que somente sinais contínuos entrem no conversor
A/D.
- Medição com Auxílio de Dispositivos Comerciais Específicos
Nos transformadores equipados com um comutador sob carga
(dispositivo eletro-mecânico que possibilita a troca do número de espiras para
manter a tensão constante), um dispositivo chamado AVR (Automatic Voltage
Regulator) geralmente vem instalado junto. O AVR monitora as tensões da rede
e controla automaticamente o comutador sob carga, deixando constante a tensão
de saída, mesmo com variações na tensão de entrada. O AVR funciona
comparando um sinal de tensão de um TP com um sinal de referência gerado
internamente. Os aparelhos AVR mais modernos possuem, além de saídas em
diversos protocolos industriais padrão, uma saída analógica que pode servir de
entrada para um chip de conversão A/D. A saída analógica pode representar
tanto tensão, quanto corrente, de acordo com a configuração realizada no
aparelho.
Foram analisados AVRs da empresa brasileira Treetech e da empresa
alemã Reinhausen. Ambas as empresas atuam na área de monitoramento e
controle de transformadores. Na Figura 13 podem ser observados modelos de
AVR das 2 empresas, que oferecem saída analógica de 0...1, -1...1, 0...5, -5...5,
0...010, -10...010, 0...20, -20...20 ou 4...20mA programável por software
[19][20].
25

2.5 GPS
Figura 13 - AVR da Treetech e AVR Tapcon 250 da Reinhausen [21][22]
O GPS (Global Positioning System) [23] é um sistema de localização
proprietário do Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América. Calculando a
sua distância até satélites espalhados na órbita terrestre, o receptor de GPS é capaz de
obter sua latitude, longitude, altitude, além de informações de relógio com altíssima
precisão. Já está em vigor um sistema de localização por satélite russo chamado
GLONASS e um sistema novo europeu chamado Galileo também está sendo
desenvolvido. Embora o GLONASS ainda não esteja completamente acabado e ainda
não seja tão preciso quanto o GPS, é provável que no futuro se torne uma boa
alternativa para substituí-lo.
Em 1995, o sistema de GPS já estava operando, porém era exclusivo para
aplicações militares. Em seguida o sistema foi tornado público, no entanto, para uso não
militar, era induzido um erro no sinal e o receptor não tinha precisão menor do que 90
metros. Foi somente a partir de 2000 que o sistema foi disponibilizado inteiramente para
uso civil. Porém, se for preciso, por motivos militares, o sistema pode se tornar restrito
ao uso militar novamente.
26

Fabricados pela Rockwell, 28 satélites (4 apenas para uso emergencial) realizam
duas voltas ao redor da Terra por dia, viajando a uma velocidade de 11.265km/h a mais
ou menos 22.200km de altitude. Para que o receptor possa calcular a sua posição, é
necessário que ele enxergue no mínimo 3 satélites. Com 4 satélites, pode ser calculada
também a altitude. Os satélites estão localizados de tal forma que, em qualquer ponto da
superfície terrestre, seja possível enxergar pelo menos 4, mas em dias sem nuvens e em
ambientes altos sem obstáculos é possível enxergar mais de 7.
Para fazer o cálculo da distância dos satélites, o receptor se baseia no tempo que
um sinal emitido pelo satélite demora até atingir o receptor. O satélite envia
informações precisas de relógio e com pouca comunicação já é possível obter o tempo
de viagem do sinal. Conhecendo as distâncias dos satélites enxergados, o receptor
calcula a sua posição.
2.5.1 APLICAÇÕES
O GPS tornou-se útil em diversas áreas. Para algumas delas, nos dias atuais, é
indispensável o seu uso. A seguir estão listadas algumas aplicações que mais utilizam
esta tecnologia:
- Relógio
Os relógios atômicos são uma opção muito precisa para marcação de
tempo. Eles são baseados na oscilação energética de um átomo (normalmente de
césio). Nos Estados Unidos, o horário padrão é regulado por um relógio atômico.
No Brasil, em São Carlos/SP, já existe um relógio atômico para pesquisas.
Todos os satélites de GPS já estão equipados com múltiplos relógios atômicos
com precisão de nanosegundos, não sendo mais necessário que todas as
aplicações que necessitem de marcação precisa de tempo tenham um relógio
atômico associado, bastando obter o tempo emitido pelos satélites. Atividades
econômicas, transações de dinheiro, controle de operadoras de telefonia e
geradores de corrente alternada são apenas alguns exemplos das diversas
27

aplicações que se beneficiam da disponibilidade pública de uma marcação de
tempo tão precisa.
- Agricultura
A utilização de sistemas de GPS na agricultura, além da telemetria
coletando dados climáticos e geográficos de pontos específicos da plantação,
ocorre também no auxílio na definição de trajetórias a serem seguidas pelo
operador de máquina agrícola, evitando a sobreposição de passadas. Tal
aplicação reduz o consumo de combustível e representa uma economia
significativa em insumos.
- Marinha
O GPS revolucionou a marinha, tornando-se a melhor forma de
navegação, fornecendo a localização e velocidade com ótima precisão em alto
mar e na costa, eliminando a necessidade dos antigos faróis.
- Veículos
Receptores de GPS instalados nos veículos automotivos disponibilizam
na tela o mapa do local e a sua posição. Calculam as rotas ideais, avisam as
direções a serem seguidas, indicando o nome das ruas. Facilitam a locomoção
dentro das grandes cidades e nas estradas.
- Aviação
Presente em 100% dos aviões modernos, o GPS mudou a forma de voar.
Possibilita a criação de rotas completas sincronizadas com o piloto automático.
O sistema de GPS acrescenta facilidade de uso e de interpretação aos sistemas
clássicos de navegação por rádio como NDB (Non Directional Beacon), VOR
(Very High Frequency Omnidirectional Range) e ILS (Instrument Landing
System). Oferece também uma ótima ferramenta para controle de tráfego pelas
torres, que antes tinham apenas os radares para conhecer as posições das
aeronaves.
28

2.5.2 PROTOCOLO NMEA
O protocolo NMEA, assim chamado por ter sido definido pela National Marine
Electronics Association, é o principal protocolo utilizado pelos receptores de GPS para
se comunicar com os equipamentos que interpretarão as informações. Os dados do
NMEA são enviados serialmente, em uma string ASCII. O NMEA, além das
coordenadas geográficas calculadas pelo receptor, fornece também outros dados de
relógio e de utilidade apenas para navegação marítima.
2.6 GSM
No início dos anos 80, sistemas analógicos de telefonia celular estavam em
grande difusão em vários países da Europa, porém cada um possuia seu sistema próprio,
sem compatibilidade entre si. Tal fato representava um grande problema, pois causava
uma limitação de mercado, uma vez que equipamentos só poderiam ser vendidos numa
determinada região coberta pelo seu sistema suportado. Além disso, para uma Europa
que estava se integrando, seria de grande utilidade um sistema que cobrisse toda sua
região, sem fronteiras.
Foi com este intuito que, em 1982, com o apoio de empresas européias de
telecomunicação, foi criado um comitê chamado Groupe Spécial Mobile. Este deveria
desenvolver um sistema de comunicação digital celular europeu que pudesse prover,
principalmente, um suporte ao roaming (capacidade de um usuário obter conexão fora
de sua área de registro [24]).
Depois, a responsabilidade do GSM foi transferida para o ETSI (European
Telecommunication Standards Institute) que rebatizou o seu significado para Global
System for Mobile Communication (Sistema Global para Comunicação Móvel),
tornando-o um sistema global devido ao interesse de vários países de fora da Europa
[25][26].
29

O sistema começou a entrar em operação comercial em 1991, sendo que em
1993 já havia 36 redes GSM em operação em 22 países, com mais 25 países escolhendo
ou considerando sua escolha [27].
Segundo a GSM Association, o GSM é atualmente o padrão tecnológico mais
popular de redes de dispositivos móveis no mundo, contando com aproximadamente
86% dos celulares do mercado em 218 países [28].
Este sucesso foi obtido devido a vários fatores [29]:
- padrão aberto (qualquer um pode ter acesso a sua especificação);
- interfaces padronizadas;
- projetado com roaming como pré-requisito (sua arquitetura e
procedimentos de rede);
- transmissão criptografada (assegurando segurança/privacidade de
voz/dados);
- SIM card;
- uso eficiente do espectro de freqüência disponível (FDMA e TDMA)
- exigência de baixa potência;
- transmissão digital;
- conceito de implementação evolucionário (upgrade sem perder a
compatibilidade nas versões anteriores).
2.6.1 FREQÜÊNCIAS DE OPERAÇÃO
O sistema GSM foi concebido para operar nas bandas de freqüência de 900MHz
(GSM-900), 1.8GHz (GSM1800) ou 1.9GHz (GSM-1900). GSM-900 é a rede original
GSM inicialmente projetada para cobrir grandes áreas (células macro) e operar com
terminais de alta potência. GSM-1800 e GSM-1900 implementaram o conceito de
serviço de comunicação pessoal. GSM-1800 foi desenvolvido para operar na Europa e o
GSM-1900 foi desenvolvido para operar na América, ambos compreendendo terminais
de pequena potência e cobrindo pequenas áreas (células micro) [30].
Uma nova especificação do GSM definiu o sistema E-GSM. No E-GSM, a
banda original do GSM-900 foi estendida, possibilitando assim a utilização de terminais
de pequena potência e pequenas áreas de cobertura (células micro).
30

2.6.2 MOBILE STATION
A Mobile Station (MS) é o que o assinante usa para fazer e receber chamadas
pela rede GSM. Ela consiste de duas partes distintas: o Subscriber Identity Module
(SIM) e o Mobile Equipment (ME).
O SIM é um pequeno smart card onde se pode armazenar identificação e outras
informações específicas do usuário. Dentre estas, temos a identificação do usuário e a
lista de redes disponíveis, assim como todas as ferramentas necessárias para
autenticação e criptografia. Além disso, dependendo do tipo do cartão, podemos ter
também o armazenamento de mensagens e números de telefones.
Um assinante recebe um SIM card quando assina um serviço em uma operadora
GSM. Outra vantagem do cartão é que ele pode ser tirado de um equipamento e inserido
em outro, assim o usuário poderá facilmente recuperar neste novo aparelho sua lista de
contatos, por exemplo.
O ME é essencialmente um celular ou equipamento móvel onde será colocado o
SIM card. Para que este celular possa receber e fazer chamadas na rede GSM ele terá
que conter um SIM card fornecido por alguma operadora.
2.6.3 ARQUITETURA DA REDE
A rede GSM é basicamente dividida em três principais subsistemas: Network
and Switching Subsystem (NSS), Base Station Subsystem (BSS), e Network
Management Subsystem (NMS) [31] [32]. Na Figura 14 é apresentada uma
representação da arquitetura da rede. Nos capítulos seguintes, um detalhamento dos
subsistemas supracitados é realizado.
31

Figura 14 - Arquitetura da Rede GSM [32]
2.6.3.1 Network and Switching Subsystem
O Network Switching Subsystem (NSS) é a parte principal de um sistema GSM.
Suas principais funções são controle de chamadas (identifica o assinante, estabelece a
chamada e fecha a conexão depois da conversação ter terminado), cobrança(coleta as
informações de cobrança de uma ligação transferindo-as para a central responsável),
administração da mobilidade (mantém informações sobre a localização dos assinantes) e
manipulação dos dados do assinante (provém o armazenamento de dados de assinantes).
Os elementos presentes no NSS são: MSC, VLR, HLR, AC e EIR.
- Mobile Services Switching Centre
O Mobile Services Switching Centre (MSC) é o componente central deste
subsistema, sendo responsável pelo controle de chamadas na rede móvel. Ele
identifica a origem e o destino de uma chamada (celulares ou telefones fixos),
assim como o tipo de chamada. Além disso, faz comutação de chamadas entre
redes móveis e fixas, usando um Gateway MSC para fazer esta ponte.
32

Ele é responsável também pelas informações para utilização na cobrança,
coletando os números dos assinantes envolvidos em uma chamada, duração e o
tipo de chamada que foi realizada. Outras funções que são exercidas neste
componente são registro, autenticação e atualização de localização das estações
móveis. Um MSC é responsável pelo controle de vários BSSs, que serão vistos
a seguir.
- Visitor Location Register
Visitor Location Register (VLR) é um banco de dados distribuído que
armazena temporariamente as informações sobre estações móveis ativas que
estão atualmente na área em que o VLR é responsável. Dentre as informações
temos: números de identificação de assinantes, serviços permitidos aos
assinantes e informações de segurança de autenticação do SIM card e de
criptografia.
Uma VLR é associada com cada MSC na rede. O VLR armazena
registros de localização e os atualiza. Isso significa que quando uma nova
estação móvel entra numa área de outro VLR, ele é responsável por copiar as
informações do assinante da HLR para seu banco local. Um assinante deve
sempre estar registrado em um VLR para poder usar os serviços da rede.
O banco de dados do VLR é temporário, ou seja, a informação é mantida
apenas durante o tempo em que o assinante está sem seu serviço de área.
- Home Location Register
Home Location Register (HLR) é o banco de dados central de todos os
usuários registrados em uma rede GSM. Ele mantém um registro permanente de
todos os assinantes, armazenando, por exemplo, o número de identificação e os
serviços contratados. Além de dados fixos, o HLR também mantém a
localização atual dos clientes.
- Authentication Centre
O Authentication Centre (AC) está associado ao HLR e a um centro de
autenticação, sendo responsável pela segurança, efetuando funções de
33

criptografia de cada SIM card de um assinante, no qual se tem uma chave
secreta usada nessas funções.
- Equipment Identify Register
Como o AC, o Equipment Identify Register (EIR) é usado por razões de
segurança. Todavia, enquanto o AC fornece informações para verificar os SIM
cards, o EIR é responsável pela checagem da validade do equipamento móvel.
Para isto, a estação móvel é requisitada a prover seu número de IMEI
(International Mobile Equipment Identify). Tal número é composto por um tipo
de código de homologação, código final de montagem e número de série da
estação móvel.
O EIR contém três listas que classificam os equipamentos: lista branca
(equipamentos com permissão para operar normalmente), lista cinza
(equipamentos com suspeita de defeito) e a lista negra (equipamentos móveis
tidos como roubados ou não autorizados a operar).
A checagem do IMEI é um procedimento opcional, sendo que cada
operadora define se e quando ele vai ser checado.
2.6.3.2 Base Station Subsystem (BSS)
O Base Station Subsystem é responsável pela comunicação com todas as
estações móveis dentro de uma determinada área. Este subsistema é composto por
várias Base Transceiver Stations (BTSs) ou Estações Rádio Base (ERBs) , e um Base
Station Controller (BSC), que controla estas BTSs.
- Base Transceiver Station
A Base Transceiver Station (BTS) inclui todo equipamento de rádio
necessário para transmissão dentro de uma área geográfica chamada célula. Uma
BTS é geralmente localizada no centro da célula, correspondendo aos
transceivers e antenas usadas em cada uma. Podem haver entre 1 e 16
transceivers em uma BTS, dependendo da densidade de usuários da célula.
34

A BTS é responsável assim, pelo estabelecimento do canal para a estação
móvel e pela modulação e demodulação dos sinais de rádio entre a MS (Mobile
Station) e a BTS.
- Base Station Controller
A Base Station Controller (BSC) é o elemento central da rede do BSS,
gerenciando uma ou mais BTSs. Sua função principal é o controle da rede de
rádio, determinando e liberando canais de freqüência e slots de tempo para
estações móveis. Além disso, controla a potência de transmissão do BSS e a MS
na sua área, o hopping de freqüência e o handover entre células.
2.6.3.3 Network Menagement Subsystem (NMS)
O propósito do NMS é monitorar várias funções e elementos da rede. Essas
funções podem ser divididas em três categorias:
- Gerenciamento de defeitos – tem como finalidade assegurar uma operação
da rede sem problemas e a rápida correção de qualquer tipo de problemas
que forem detectados. Além disso, fornece ao operador da rede informações
de status de eventos de alarmes mantendo um banco de dados com o
histórico desses.
- Gerenciamento de configuração – tem como finalidade manter as
informações sobre a operação e configuração dos elementos da rede
atualizados. Algumas funções desta categoria incluem o gerenciamento da
rede de rádio, de software, de hardware e de elementos da rede. Gerenciam
também a sincronização de tempo e operações de segurança.
- Gerenciamento de performance – coleta dados medidos de elementos
individuais da rede e armazena-os em um banco de dados. Baseado nesses
dados, o operador da rede é capaz de comparar a performance atual da rede
com a performance planejada e detectar áreas com boas e más performances.
Estas funções cobrem todos os elementos da rede GSM, desde o nível de BTSs
individuais, até o nível de MSCs e HLRs.
2.6.4 GPRS (GENERAL PACKET RADIO SERVICE)
GPRS é uma rede sobreposta ao GSM que permite que dados sejam enviados e
recebidos entre estações móveis. É uma solução de conectividade baseada em
35

protocolos de Internet e que suporta uma larga escala de aplicações voltadas a empresas
e ao consumidor comum [29].
Esta tecnologia emergiu devido ao sucesso das redes GSM e do crescimento do
tráfego de dados, impulsionados pela Internet. As operadoras buscaram serviços de
dados usando GSM como uma grande oportunidade de negócios. Além disso, o GPRS
utiliza-se da infra-estrutura de rádio existente utilizada nas redes GSM, diminuindo seus
custos de implementação [25].
Benefícios do GPRS [32]:
- Está sobreposto na rede GSM existente;
- Conexão sempre aberta, reduzindo o tempo de espera abrindo ou fechando
conexões;
- Desenvolvido para suportar aplicações como e-mail, telemetria, serviços em
broadcast, e conexão a WEB sem requerer detecção de conexão.
2.7 MÓDULO XT65
As empresas de tecnologia produzem módulos GSM/GPRS prontos que
oferecem o sistema completo, pois são vários os equipamentos que utilizam
GSM/GPRS. Estes módulos são programáveis e possuem interfaces padrão para
comunicação, como serial, i2c ou ethernet. Desta maneira, é possível desenvolver um
equipamento GSM/GPRS e utilizá-lo da forma que preferir. De acordo com o avanço da
tecnologia, os módulos GSM/GPRS começam a incorporar outras tecnologias e, é cada
vez mais comum encontrar GPS integrado a estes módulos.
Diversas marcas de módulos estão disponíveis com preços parecidos e qualquer
um poderia ser utilizado para este sistema. Por motivos de disponibilidade, GPS
integrado e fácil programação em uma linguagem de alto nível, o módulo XT65 da
Siemens foi escolhido.
O XT65 é Quad-Band (opera em quatro diferentes freqüências: 850MHz,
900MHz, 1800MHz, 1900MHz) e GPRS Classe 12. O módulo possui diversos pinos de
entrada e saída além das interfaces serial, USB 2.0, SIM card, I2C, duas saídas
36

analógicas e uma digital de áudio, duas entradas analógicas com conversor A/D e uma
saída analógica (PWM) [33].
A programação do módulo pode ser feita através da entrada de comandos AT
por console. AT Command Set (Hayes command set) é uma linguagem de pequenos
comandos de texto criada para fazer a comunicação com modems. Outra forma de se
programar o dispositivo é entrar com os comandos AT através de um programa Java
J2ME, uma plataforma Java direcionada para pequenos dispositivos. O dispositivo
oferece, além da camada física, as camadas de enlace e de rede, nas quais já está
inserido o controle de erro. Para desenvolver aplicações, basta preocupar-se com a
camada da aplicação.
2.8 WEB
Abaixo é apresentada uma breve descrição das tecnologias utilizadas para a
construção da aplicação WEB do sistema.
2.8.1 PHP
PHP (Hypertext Preprocessor ou Pré-processador de hipertexto) [34][35] é uma
linguagem de código aberto utilizada para desenvolvimento WEB. Geralmente
encontra-se embutida em códigos HTML no servidor. Esta linguagem permite
criar scripts que podem se conectar a servidores ou bases de dados, buscando
informações para que sejam mostradas na página. Por este motivo, é usada para
gerar conteúdos dinâmicos.
Conteúdo dinâmico ocorre quando uma página WEB está vinculada a uma base
de dados em um servidor (podendo ser alterada por um administrador), modificando a
página visualizada pelo usuário.
O PHP é um módulo do servidor WEB Apache, um dos mais utilizados do
mercado. Assim, pode-se utilizar os scripts PHP diretamente no servidor, o que
proporciona uma manipulação de dados mais rápida. Além do Apache, o PHP pode ser
utilizado em várias outras plataformas.
37

Outra vantagem da utilização do PHP, trata-se do fato de ser uma linguagem
gratuita, podendo ser utilizada conjuntamente com outras aplicações. O Apache também
é uma opção sem custos, assim como o servidor de banco de dados MySQL. Pode-se,
então, construir uma aplicação WEB de forma totalmente gratuita.
2.8.2 BANCO DE DADOS MYSQL
Um banco de dados é uma memória que armazena informações a serem
utilizadas em alguma aplicação. Esses dados são guardados de uma forma em que sejam
facilmente acessíveis quando você precisar utilizá-los. O banco de dados armazena
várias tabelas de dados que podem ser indexadas e relacionadas entre si.
O MySQL é um sistema de gerenciamento de banco de dados gratuito, utilizado
principalmente para aplicações WEB. Ele utiliza-se de um servidor através do qual
podem-se criar novos bancos de dados, alterá-los e fazer buscas inteligentes de
informações [36].
2.8.3 JAVASCRIPT
JavaScript [37] é uma linguagem de script usada para criar páginas WEB
interativas. Esta linguagem está, como em PHP, embutida dentro de códigos HTML,
porém atua de uma forma diferente. A linguagem HTML serve para traduzir ao browser
todos os componentes de uma página, como caixas de texto, botões, estilos de fonte, etc.
O JavaScript trata esses componentes interativamente dependendo de ações de usuários.
Nesta linguagem, assim como o PHP, é usado o paradigma de orientação a
objetos, sendo que cada um dos componentes supracitados são tratados como objetos.
Pode-se, portanto, utilizar métodos para alterar esses objetos ou criar eventos de acordo
com seus status, como por exemplo, ao ser acionado um botão da página.
Diferentemente do PHP, o JavaScript é uma linguagem voltada ao cliente. Todas
as operações que ela realizar ficarão restritas ao usuário, sem a possibilidade de ser
realizada uma busca em um servidor.
38

2.8.4 GOOGLE MAPS
O Google Maps é um serviço WEB oferecido pela Google que propicia ao
usuário uma ferramenta de interação com mapas e informações, tais como endereços,
informações de contato e direções de tráfego.
Nestes mapas é possível visualizar imagens de satélite de diversas cidades e
regiões do mundo, e ampliá-las e reduzi-las. Além disso, podem ser visualizadas ruas,
estradas, imóveis, além de características geográficas como relevo, vegetação e áreas
hidrográficas.
A ferramenta pode buscar lugares pelo endereço ou coordenadas geográficas, e
indicá-las no mapa através de marcadores. Também é possível traçar rotas entre dois
pontos e receber informações de orientação de trânsito.
2.8.4.1 API do Google Maps
A API do Google Maps permite usar JavaScript para incorporá-lo em uma
página na WEB. A API fornece diversos utilitários para manipular mapas e adicionar
conteúdo através de diversos serviços, permitindo a criação de aplicativos com mapas
robustos [38].
39

3 ESPECIFICAÇÃO FUNCIONAL DO SISTEMA
O sistema disponibiliza na Internet um mapa com a localização dos
transformadores equipados com ele. Ao clicar sobre o ícone do transformador desejado,
dados atuais sobre temperatura, umidade e corrente podem ser observados. Gráficos
históricos com diferentes escalas também podem ser observados através do sistema
WEB. Alarmes podem ser configurados independentemente para cada transformador
disponível. Assim, quando alguma variável ultrapassa determinado limite, o ícone muda
de cor ou envia mensagens SMS ou e-mail ao administrador.
A página disponibilizada na Internet fornece também ferramentas de busca que
possibilitam encontrar transformadores específicos pelo mapa, ou por seu identificador.
O administrador do sistema tem acesso a uma área restrita onde pode cadastrar
informações sobre cada transformador e alterar cadastros de transformadores e usuários.
Dois sensores ficam instalados no transformador: um sensor de temperatura PT-
100 no compartimento especial para medição da temperatura do óleo; outro PT-100 no
lado de fora do transformador, coletando a temperatura ambiente; e um sensor de
umidade SHT71 fica inserido no cano respirador do conservador de óleo.
A Figura 15 ilustra o funcionamento completo do sistema e, a partir dela, serão
detalhados todos os processos envolvidos e a comunicação entre eles.
40

Figura 15 - Funcionamento do Sistema
A placa microcontrolada é responsável pela leitura dos sensores e conversão das
medições nas unidades padrão para cada grandeza. Sensores de temperatura PT-100 são
analógicos e seu circuito auxiliar fica diretamente ligado a algum canal do conversor
A/D. O sensor de umidade e temperatura SHT71 tem saída digital e o chip fica
conectado a 2 pinos de expansão de I/O da placa. Quando da inicialização da placa, esta
se responsabiliza por inicializar e configurar o sensor, além de sincronizar a
comunicação e, periodicamente, coletar os dados de umidade relativa do ar. As três
grandezas são lidas por polling (um sensor de cada vez, continuamente), com
prioridades iguais. A cada laço, após a leitura das três grandezas, os valores já
convertidos são mostrados in loco no display de cristal líqüido da placa e enviados pela
porta serial, a qual fica conectada ao módulo XT65.
Por sua vez, o módulo XT65 coleta os dados da porta serial e posta na página do
servidor por GPRS. Informações sobre quais sensores estarão ligados e a freqüência
com que os valores de cada um deles serão enviados devem ser inseridas diretamente na
página de configuração do servidor. Sempre que uma mudança ocorrer nas
41

configurações do servidor, através da Internet, é enviada uma mensagem SMS (Short
Message Service) para o módulo com as novas configurações.
Por razões econômicas, das strings do protocolo NMEA fornecidas pelo GPS,
são retiradas apenas as informações de coordenadas geográficas para serem enviadas
por GPRS. Por padrão, as coordenadas somente são enviadas quando houver alteração
de pelo menos 10 metros ou quando o servidor reinicializar. Naturalmente, também para
o GPS, é possível configurar no servidor outras opções de freqüência para recebimento
das informações de posição.
O servidor PHP faz acesso a um banco de dados SQL, que armazena todas as
informações de posição, corrente, umidade relativa e temperatura juntamente com a data
e hora em que chegaram. Na página de configuração do servidor, é possível configurar
quais sensores monitorar e qual a freqüência com que seus valores serão recebidos.
Poderão também ser configurados limites para disparar alarmes quando algum valor for
atingido.
42

4 PROJETO DO SISTEMA
Por envolver diversas tecnologias, o sistema foi construído em diferentes etapas.
Inicialmente, cada etapa foi construída e testada separadamente para só então haver uma
junção de todos os módulos. A seguir serão detalhadas as etapas do projeto, e, ao final,
uma visão globalizada sobre todo o sistema será atingida.
4.1 PROGRAMAÇÃO DA PLACA
Após a decisão pela implementação do sistema na placa equipada com o
MSC1211, a qual pode ser observada na Figura 16, foram decididos os ambientes de
programação e ferramentas que seriam utilizadas. Procurou-se, normalmente, optar por
softwares gratuitos, apesar de existirem ferramentas pagas que ofereçam algumas
funcionalidades adicionais.
Figura 16 - Placa com MSC1211
43

Para rodar um programa, o MSC1211 precisa que ele seja baixado para sua
memória através de uma comunicação serial. Uma vez que a placa está equipada com
um chip USB que simula uma porta serial no PC, a porta USB foi utilizada para baixar
o programa para a placa. Ao se instalar o driver do chip em um PC, ele simula uma
porta serial nova, e, com ele, é possível se comunicar pela porta USB como se fosse
uma porta serial. O programa a ser baixado para a placa se trata de um arquivo no
formato hexa da Intel [39] gerado por um compilador assembly ou C para 8051. Existe
no mercado uma variedade considerável de compiladores e ambientes de
desenvolvimento para gerar código C para microcontroladores desta família. Estes
compiladores estão se tornando cada vez mais robustos e eficientes, não havendo mais
necessidade, na maioria dos casos, de se programar em linguagens de baixo nível. Pela
facilidade e possibilidade de portabilidade, o programa foi todo escrito em C.
Para a edição e compilação do código C foram usados os programas Jen’s File
Editor e SDCC (Small Device C Compiler). JFE é um editor freeware de código C. É
um programa leve e não necessita de nenhuma instalação. Oferece mecanismos de
mudança de cor conforme a sintaxe do programa, mecanismos de busca, entre outros. O
JFE utiliza o compilador SDCC para compilar o código. A Figura 17 mostra uma
captura de tela do JFE contendo o início do código utilizado no projeto.
44

Figura 17 - Jens File Editor
A seguir encontra-se uma lista definindo a finalidade de cada uma das funções
que foram utilizadas pelo programa C. A definição das funções no código C pode ser
observada na Figura 17.
- initlcd: inicializa display LCD da placa com 20x4 caracteres;
- linha2: posiciona o cursor do LCD na segunda linha;
- linha1: posiciona o cursor do LCD na primeira linha;
- linha3: posiciona o cursor do LCD na terceira linha;
- linha4: posiciona o cursor do LCD na quarta linha;
- lcdbl: acende backlight do LCD;
45

- escrevemsg: escreve no LCD a cadeia de caracteres passada por parâmetro;
- wr_char: escreve um caractere no LCD;
- wr_cmd: envia um comando para o LCD;
- delay_5us: espera 5us para continuar a execução;
- delay_5ms: espera 5ms para continuar a execução;
- clearLCD: limpa todos os caracteres escritos no LCD;
- initADC: liga o conversor A/D, configura os canais e a polaridade a ser
utilizada e configura a tensão de referência interna;
- leadc: reservado para leitura de outros canais do conversor A/D além do
padrão, quando outros sensores analógicos forem adicionados ao sistema;
- IntToAsciiDec: converte valores inteiros para caracteres ASCII objetivando
enviá-los pela porta serial, ou escrevê-los no display LCD;
- ADValueToTemperature: converte o valor de 24 bits lido pelo conversor A/D
em temperatura [°C];
- configura_serial: configura a porta serial para funcionar com 9600bps sem
paridade;
- configura_timer: configura timer com tempo correto para fazer com que a
UART opere a 9600bps;
- escreve_serial: escreve na porta serial a cadeia de caracteres passada por
parâmetro;
- sht_write_byte: escreve um byte no sensor de umidade SHT71;
- sht_read_byte: lê um byte do sensor SHT71;
- sht_transstart: envia seqüência de bits que indica início de comunicação ao
SHT71;
- sht_connectionreset: reinicializa conexão com o SHT71;
- sht_softreset: reinicia comunicação com o SHT71;
- sht_read_statusreg: lê registrador de status do SHT71;
- sht_write_statusreg: escreve no registrador de status do SHT71;
- cumi: efetua a leitura da umidade do SHT71 e realiza cálculo para converter o
valor lido em umidade relativa do ar [%];
- ctemp: efetua a leitura da temperatura do SHT71 e realiza cálculo para
converter o valor lido em temperatura [°C];
46

Nos capítulos seguintes serão tratadas detalhadamente as conexões com cada
tipo de sensor e maiores detalhes sobre as funções de conversão e leitura dos sensores
citadas acima serão fornecidos. Pode-se observar também que existem algumas funções
responsáveis por escrever dados no display LCD. Tais funções têm o objetivo de
fornecer informações locais sobre as medições. A Figura 18 mostra o display LCD
quando os sensores estavam expostos ao mesmo ambiente.
Figura 18 - Display LCD
Na Figura 19, pode ser observado um diagrama de atividades simplificado do
software que roda na placa.
47

Figura 19 - Diagrama de Atividades do Software que roda no MSC1211
O compilador utilizado pelo JFE, o SDCC, também é um software freeware. É
uma ferramenta disponível tanto para sistemas Linux e Mac quanto para sistemas
Windows[40]. O SDCC compila códigos para as arquiteturas 8051 e Z80. Atualmente
existe, quase em fase final, um plugin para Eclipse que permite utilizar seu ambiente
moderno de programação para construir aplicações para sistemas embarcados com
arquiteturas 8051 e Z80 através do SDCC [41].
Para cada diferente modelo de microcontroladores de mesma família, geralmente
utiliza-se uma biblioteca específica que define os pinos e os nomes dos registradores
para cada endereço de memória do dispositivo. Estas bibliotecas se diferenciam na sua
sintaxe para cada compilador, e, para o SDCC, as bibliotecas disponíveis para o
MSC1211 encontram-se incompletas. Foi necessário aumentar a biblioteca para que ela
48

agregasse todos os registradores e pinos utilizados pelo sistema. Na Figura 17, na
primeira linha de código, está a inclusão desta biblioteca “msc1211.h”.
Para realizar o download do hexadecimal gerado pelo compilador utiliza-se
qualquer software capaz de abrir uma comunicação serial e enviar um arquivo.
4.2 INTERFACE DA PLACA COM O PT-100
O PT-100 é um sensor de temperatura analógico que varia sua resistência
conforme a quantidade de calor percebida. O conversor A/D do microcontrolador, no
entanto, é capaz apenas de perceber variações de tensão. A partir da variação ôhmica do
PT-100, para obter-se uma variação de tensão ideal, em uma faixa que torne possível a
leitura do sinal com a maior precisão e resolução possível, se faz necessária a
construção de um circuito analógico. Tal circuito deve aplicar uma tensão ao PT-100 de
modo que sua variação ôhmica faça variar a tensão sobre o sensor.
Sabe-se que o conversor A/D do MSC1211 pode fazer uma leitura bipolar (-2.5
até +2.5V utilizando o bit mais significativo para o sinal) ou unipolar (0 até 2.5V
ganhando mais um bit de resolução). Como não haverá tensão negativa no PT-100,
configurando-se o microcontrolador para operar em modo unipolar, seus 24 bits podem
ser usados para marcar tensão positiva na faixa de 0 a 2.5V, aumentando a resolução da
leitura. Variando-se a temperatura de 0°C a 100°C, a resistência do sensor varia de
100Ω a 138.4 Ω [9]. Desta forma, deseja-se que esta variação de resistência faça variar
o máximo de tensão e que esta faixa de variação esteja o mais próximo possível de 0V,
uma vez que a precisão do conversor é maior para tensões mais baixas. Neste ponto
surgem 2 opções: utilizar uma tensão de referência fixa (maior simplicidade no cálculo,
menos uso de memória do microcontrolador, menor faixa de variação) ou utilizar um
circuito que conecte a tensão de referência à saída do PT-100, fazendo com que ela
também varie, objetivando a obtenção de algum aumento na faixa de variação. Após a
realização de cálculos, verificou-se que a segunda opção seria capaz apenas de aumentar
a faixa de variação de tensão na ordem de alguns mV, resultando na escolha da primeira
49

opção. O MSC1211 é configurado, então, para utilizar a tensão de referência gerada
internamente pelo chip de 2.5V.
Outro fator importante a ser observado na construção do circuito é a corrente que
circulará pelo sensor. Até mesmo para evitar seu aquecimento pela corrente circulante,
aconselha-se uma corrente em torno de 3mA [42].
Na Figura 20 pode ser observado o diagrama elétrico do circuito construído.
Figura 20 - Diagrama Elétrico da Interface com o PT-100
O MSC1211 possui um pino de saída Vref-out que se energiza com a tensão de
referência configurada e é deste pino que parte a alimentação de 2.5V para o circuito
analógico em torno do PT-100. Ain+ e Ain- são conectados respectivamente aos pinos
AIN0 e AIN1 (primeiros 2 canais do conversor A/D – AIN0 positivo e AIN1 negativo)
do chip. O valor lido pelo conversor A/D corresponde à diferença de potencial entre
Ain+ e Ain-. O resistor R1 tem por objetivo limitar a corrente circulante no PT-100 e o
capacitor C1 atua como filtro, não permitindo que variações bruscas no PT-100 ou
ligeiras interferências externas sejam sentidas pelo conversor. A presença de C1 não se
faz tão relevante neste circuito, pois o PT-100 utilizado é de baixo custo e apresenta
uma curva de resposta lenta. O GND do circuito é ligado diretamente ao GND da placa.
50

Por ser um circuito simples, não houve necessidade de ser fabricada uma placa
para acomodá-lo e, para eliminar problemas como contatos ruins e interferências
externas (devido à sensibilidade do sensor, interferências podem prejudicar
completamente a leitura do PT-100), o circuito foi construído em uma régua de bornes
utilizando cabos blindados. A régua pode ser observada na Figura 21.
Figura 21 - Régua de Bornes
Os dois fios brancos ligados por uma ponte na Figura 21 têm um ponto em
comum próximo ao PT-100, constituindo um terceiro fio. A finalidade deste terceiro fio
em comum, em sensores PT-100 a 3 fios, está na redução da resistência e dos efeitos da
variação de temperatura sobre ela [43]. A Figura 22 mostra a saída dos 3 fios do PT-
100.
Figura 22 - Saída do PT-100 a 3 fios
Por estar configurado para trabalhar com tensão de referência fixa em 2.5V e
modo unipolar, entre 0V e 2.5V, 2 valores poderão ser medidos pelo conversor A/D
51

do MSC1211 dentro desta faixa. Dividindo-se 2.5V por 2 , se obtém a tensão máxima
que deve variar para que se altere de uma unidade o valor digital gravado nos
registradores pelo conversor A/D. Assim, a cada unidade que o valor digital variar,
houve uma variação analógica de 1.49011 ∗ 10 V.
Para encontrar a fórmula que o software irá aplicar no valor de 24 bits lido pelo
conversor A/D a fim de convertê-lo em ºC, 2 métodos foram utilizados. Primeiramente
foi encontrado o valor teórico de quantas unidades variaria o valor para cada grau de
temperatura e com este valor foi construída uma primeira fórmula. Uma vez encontrada
a fórmula construída a partir dos valores teóricos, uma segunda fórmula foi gerada
através de calibrações e medições práticas.
Aplicando-se a lei das malhas e calculando-se a variação de tensão no PT-100
quando este apresenta resistência relativa a 0°C e a 1°C, descobre se que 1°C faz variar
1.33248mV. Dividindo-se a tensão que varia com a variação de 1ºC pelo valor de tensão
correspondente a cada unidade do valor digital .∗
.∗ , se tem como resultado uma
variação do valor digital retornado pelo conversor A/D de 8942. 8942 unidades para
cada ºC de temperatura. Este valor teórico, no entanto, apresenta problemas, pois
existem as resistências desconhecidas dos cabos e suas conexões, baixa qualidade do
material do PT-100, imprecisão dos resistores, queda de tensão na placa, entre outras
variáveis que não se pode precisar. Surge, então, a necessidade de se encontrar uma
forma para calibrar a leitura do PT-100 que levem em conta estas variáveis
desconhecidas do ambiente.
Ao colocar o PT-100 em contanto com o gelo (0ºC) e esperar até que sua
resistência convirja para um valor, foi lido, em decimal, o valor 2799388 do conversor
A/D. Com o PT-100 submerso na água em ebulição (100ºC), o valor registrado foi de
3679300. Dividindo-se por 100 a diferença entre o valor lido no gelo e o valor lido na
água em ebulição, obtém-se que, para cada ºC, o valor digital varia 8799 unidades.
Os valores obtidos nos testes práticos e no cálculo teórico tiveram uma diferença
significativa e, após alguns testes, foi verificado que nem o valor teórico nem o valor
obtido com as medições estavam retornando com precisão o valor da temperatura.
Aplicando-se uma média ponderada com maior peso para o valor teórico, chegou se a
52

variação de 8850 unidades por ºC de temperatura. Com este valor, resultados
satisfatórios foram obtidos medindo-se temperaturas entre 0ºC e 100ºC. Logicamente
estes resultados são satisfatórios para se obter precisão de pelo menos 1ºC. Para a
obtenção de uma precisão com casas decimais, uma quantidade maior de testes e
calibrações precisaria ser realizada.
=
( )
53
foi a fórmula encontrada para que o
programa pudesse calcular a temperatura em ºC, mostrar no display LCD e enviar para a
porta serial.
O ideal seria que houvesse dois PT-100s para instalação no protótipo, um para
mensurar a temperatura do óleo e outra para mensurar a temperatura ambiente. No
entanto, não se sentiu necessidade de adquirir um segundo PT-100 para o projeto. Para
este primeiro protótipo, utilizou-se o próprio SHT71 para aproximar a temperatura
ambiente.
4.3 INTERFACE DA PLACA COM O SHT71
Os pinos de interface do chip SHT71 possuem entre eles uma distância de
0.46mm, um valor substancialmente menor que a distância entre os furos das placas de
circuito impresso e das placas de protótipo padrão (2.54mm). Para acomodá-lo não há
disponível nenhum tipo de soquete, nem há disponibilidade de máquinas capazes de
perfurar com esta precisão. A solução foi confeccionar uma placa de circuito impresso
específica para acomodar o sensor e adaptar pinos de saída com maiores espaçamentos.
A placa é feita de um material dielétrico, com uma fina camada de cobre em sua
superfície. O circuito foi desenhado sobre o cobre com uma caneta de retroprojetor, que
protege a região pintada contra corrosão. Por ser um circuito simples, com apenas 4
trilhas, o desenho foi realizado à mão. Após o desenho, a placa foi submersa no
percloreto de ferro até que todo cobre fosse corroído, restando apenas a área pintada.
Finalmente a placa foi limpa com uma palha de aço e foram perfurados os furos onde
estão soldados a barra de pinos e o resistor de pull up. A Figura 23 mostra o resultado
final da placa já com os componentes soldados.

Figura 23 - Placa Para Adaptação do SHT71
O fio vermelho e o fio preto soldados na placa mostrada na Figura 23 estão
respectivamente ligados ao VCC e ao GND. Os dois pinos de dados (fios brancos) estão
conectados a pinos de I/O. É através destes dois pinos de dados que o software faz a
comunicação com o sensor.
As funções em C desenvolvidas para realizar a comunicação com o SHT71
podem ler e escrever no seu registrador de status bem como ler e escrever bytes em
geral. Na Figura 24 pode ser observado um diagrama de ondas completo de uma leitura
da umidade relativa do ar para exemplificar como o software efetua a comunicação.
54

Figura 24 - Leitura da Umidade Relativa do Ar - Umidade = 2356 = 75.79% [11]
Um delay de 0.8s é dado após cada leitura dos registradores, conforme
recomendado em [11], evitando um aquecimento em demasia do chip, o que implicaria
em uma leitura incorreta dos valores de umidade e temperatura.
Após a leitura dos valores de temperatura e umidade lidos do sensor, algumas
equações precisam ser aplicadas para converter estes valores em temperatura [ºC] e
umidade relativa do ar [%]. As constantes das equações variam conforme a tensão de
alimentação e a quantidade de bits utilizados, mas para este projeto, que alimenta o chip
com 5V e utiliza 12 bits para ler umidade e 14 bits para ler temperatura, as equações
ficam da seguinte forma:
- ℃ = −40.1 − 40.2 ∗
- % = −4 + 0.0405 ∗ − 2.8 ∗ 10 ∗
- % = ( ℃ − 25)(0.01 + 0.00008 ∗ ) +
%
TR = Valor de Temperatura Lido Direto do Sensor
UR = Valor de Umidade Lido Direto do Sensor
A primeira fórmula apresentada acima se trata da equação que converte o valor
obtido do sensor em °C. A segunda fórmula converte o valor lido do registrador de
umidade do sensor em umidade relativa do ar. A terceira fórmula utiliza a temperatura
obtida na primeira equação e a umidade relativa do ar lida do registrador para calcular a
55

umidade relativa do ar real, compensando sua não linearidade. A umidade relativa do ar
apresenta uma curva quase linear, porém não pode ser considerada como o sendo. Como
nos testes realizados o cálculo da umidade real diferiu apenas nas casas decimais da
umidade relativa linear, o uso da terceira fórmula não se faz crucial no sistema. Na
Figura 25 está um gráfico que demonstra a não linearidade da leitura da umidade.
Figura 25 - Demonstração da Não Linearidade da Umidade Relativa [11]
Apesar de o sensor oferecer precisão de alguns pontos flutuantes, por simplificar
e reduzir o protocolo utilizado pelo GPRS e por não ser necessária tanta precisão para o
sistema, as casas decimais são desconsideradas pelas funções em C. Além disto, quando
se utiliza os pontos flutuantes, o limite máximo de memória do MSC1211 é quase
alcançado. Descartando os pontos flutuantes, economizou-se uma quantidade
considerável de recursos.
4.4 INTERFACE DA PLACA COM O MÓDULO XT65
A placa, a cada laço, após a leitura de todos os sensores e após atualizar os
valores mostrados no display LCD (ocorre apenas quando houver modificação na
medida de algum sensor em relação à última medição), envia pela porta serial os dados
adquiridos. Os dados são enviados continuamente e o tempo entre cada envio
caracteriza-se apenas pelo tempo de leitura dos sensores, pelo delay de 0.8s a cada laço
(evita aquecimento do SHT71) e pelo tempo de duração da comunicação serial. Fica
56

claro, então, que todo o controle da freqüência de envio dos valores de cada sensor fica
inteiramente a cargo do módulo GPS/GPRS.
A porta serial do módulo é configurada para operar a 9600bps, sem bit de
paridade. Para que o módulo pudesse adquirir estes dados e reconhecê-los
separadamente para cada sensor, um protocolo para envio dos dados foi construído. A
Figura 26 mostra como os dados são enviados pela porta serial para serem recebidos
pelo módulo.
4.5 ALIMENTAÇÃO
Figura 26 - Protocolo de Comunicação da Placa com Módulo XT65
Ambos o Módulo XT65 e a placa com MSC1211 trabalham, logicamente, com
tensão de alimentação contínua. Eles já vêm acompanhados por seu retificador de
tensão com entrada de 127V ou 220V. O retificador do módulo atenua a tensão para
15VDC (o módulo aceita tensões entre 8V e 30V) e o retificador da placa para 5VDC.
Da mesma forma que os outros equipamentos de monitoramento de
transformadores, as entradas dos retificadores de tensão são alimentadas diretamente
pelo painel de circuitos auxiliares do transformador. Normalmente este painel apresenta
tensão de 127V ou 220V conforme pedido de cada cliente. Se houver necessidade de ter
57

um sistema que permaneça em funcionamento mesmo durante interrupções de energia e
problemas na rede elétrica, um nobreak pode ser instalado.
4.6 SISTEMA WEB
4.6.1 BANCO DE DADOS SQL
Para armazenar os dados enviados pelos transformadores equipados com o
sistema de telemetria por GPRS é necessário organizá-los de forma a simplificar a
busca, inclusão e remoção das informações. Para tal, é utilizado o servidor de banco de
dados MySQL, que roda na mesma máquina servidora onde encontra-se a aplicação
WEB. Os dados ficam organizados em tabelas que são lidas e escritas por uma
aplicação PHP. Dentre os dados armazenados estão informações relativas ao
transformador, à sua localização e às medições dos sensores. Fazem parte do banco de
dados as seguintes tabelas:
- Tabela Transformadores
seguintes valores:
Tabela utilizada para identificar os transformadores. Contém os
- ID – código único gerado automaticamente na ativação do sistema.
Quando um novo transformador é instalado, o sistema de telemetria envia
ao servidor um pedido de cadastro e recebe como retorno este código
único. Este código será usado no futuro para identificação do
transformador. Tanto o sistema do servidor quanto o próprio
transformador conhecerão este valor. Se o sistema de telemetria for
reiniciado, quando for feito o pedido de cadastro ao servidor, o servidor
reconhecerá o transformador e retornará para ele o mesmo código
utilizado anteriormente.
- Telefone – também é utilizado como identificação única de um
transformador. Este número é o próprio número de telefone do sim card
do módulo GPRS. O telefone é utilizado pelo servidor para envio de
58

informações ao módulo através de mensagens SMS. O sim card não
fornece informações a respeito de seu número de telefone, apenas seu
simid, um identificador único para cada sim card. Por isto, este número
de telefone deve ser cadastrado manualmente através da página de
configuração na WEB.
- Latitude e Longitude – informações geográficas de localização do
transformador.
- Descrição do transformador – campo reservado para que o cliente possa
entrar com qualquer tipo de texto descrevendo o transformador. Este
campo também deve ser preenchido manualmente através da página de
configuração do sistema.
- Estado – indica o estado do transformador, que pode estar offline
(inativo, sem se comunicar por muito tempo), online (funcionando
corretamente) e disparando alarme (algum limite configurado pelos
alarmes foi atingido).
- Tabela para Sensor
Como cada sensor pode enviar informações com períodos diferentes, foi
construída uma tabela para cada sensor. As tabelas são as seguintes:
Temperatura Interna (temperatura do topo do óleo), Temperatura Externa
(temperatura ambiente), Umidade do Cano (umidade no interior do cano
respirador de ar), Tensão e Corrente. Estas tabelas possuem os mesmos campos:
ID (contador utilizado para identificar cada medição), ID do transformador,
Valor (valor da medição na sua unidade padrão), Data e Hora (data e hora em
que chegou a última medição).
- Tabela Alarmes
Nesta tabela se encontram os alarmes criados pelo usuário através da
página de configuração do sistema WEB. Podem ser criados quantos alarmes
forem desejados. Os alarmes desta tabela são periodicamente varridos e testados
pela aplicação PHP e quando algum deles estiver ligado, a aplicação irá tomar as
59

medidas necessárias (avisos sonoros, envio de mensagens sms, entre outras). A
tabela de alarmes consta dos seguintes campos para cada alarme: ID da alarme
(contador utilizado como identificação de cada alarme), ID do transformador
(identificação única do transformador onde está a variável monitorada por este
alarme), Variável (temperatura externa, temperatura interna, umidade, tensão ou
corrente), Operação (>,

outros) somente são compatíveis com ele. Na Figura 27 pode ser visualizado o ambiente
do Netbens.
Figura 27 - NetBeans [44]
Além da alimentação externa, para a programação do módulo é necessário que
ele esteja tanto conectado ao PC pela porta USB, quanto pela porta serial. Ao conectar o
módulo à porta USB, ele é reconhecido como um disco externo e podem então, ser
gravados e apagados arquivos de sua memória.
O programa foi desenvolvido com o intuito de funcionar em modo plug and
play. Quando da primeira vez de sua inicialização junto ao transformador, o módulo faz
com que o transformador se auto-identifique no servidor WEB e, em seguida, começa
automaticamente a enviar informações relativas aos sensores por GPRS.
O primeiro passo realizado pela aplicação é configurar as taxas de transmissão
da porta serial e outros atributos utilizados na recepção de mensagens SMS. Em
seguida, o objetivo passa a ser tentar encontrar a posição do módulo por GPS. Até que o
aparelho enxergue a quantidade de satélites necessária para calcular sua posição, vários
minutos podem se passar. Se nos primeiros 15 minutos de tentativa, uma posição válida
61

não for retornada, o programa envia uma mensagem SMS de erro ao administrador,
retorna ao seu fluxo normal e cria uma thread que ficará periodicamente acordando e
tentando achar a posição novamente.
O próximo passo da aplicação é, através de um comando AT, recuperar o
identificador único de seu SIM card. Este identificador, no próximo passo, será enviado
ao servidor. O identificador será útil para o servidor que o utilizará para buscar o
número de telefone do SIM card. Tal telefone será utilizado pelo servidor para enviar
configurações ao módulo.
Uma vez atingido este ponto, são enviadas ao servidor todas as informações
adquiridas até aqui. Para tal, uma conexão HTTP é aberta e as informações são postadas
em uma página PHP específica no servidor. O método utilizado é o GET, no qual é feito
um acesso à página passando os valores por parâmetro após o sinal de ‘?’, da seguinte
forma: http://teletransfo.no-ip.org:8080/dados.php?id=1&tpint=50. Neste caso, as
variáveis enviadas foram id, com valor 1 e tpint (temperatura do óleo), com valor 50.
Ao se abrir uma conexão HTTP, pode-se também ler o conteúdo da página. Desta
forma, o módulo acessa a página e faz uma verificação se os dados foram postados com
sucesso através de mensagens que o próprio servidor gera para serem lidas pelo
aparelho. É possível saber se os dados foram incluídos corretamente no banco de dados.
Se for verificado que os dados foram devidamente recebidos e tratados, a página WEB
retorna também para o módulo o seu ID, valor permanente que é atribuído a cada
aparelho para a identificação daquele transformador. Caso contrário, se houver erro no
envio de dados, o dispositivo ficará tentando acessar o servidor indefinidamente até que
este retorne ao funcionamento normal. Após três tentativas mal sucedidas, o
administrador receberá uma mensagem de erro por SMS em seu celular.
Após a recepção do ID (número identificador) do transformador, começam a ser
lidos os valores dos sensores e enviados para o servidor. Como a freqüência definida
para leitura de cada sensor pode ser configurada separadamente, há a necessidade de se
ter processos rodando em paralelo para cada sensor. Para isto, é criada uma thread para
cada sensor. Cada thread é responsável por ler de uma variável global o valor de
medição correspondente ao seu sensor e postá-lo na página do servidor juntamente com
o ID do transformador.
62

Não é possível que mais de uma thread utilize a função de conexão HTTP
simultaneamente. Então, é utilizado o conceito de exclusão múltipla através de um
monitor que garante que somente uma thread por vez executa a função.
O servidor envia, esporadicamente, novas configurações de freqüência de envio
para os sensores. Estas configurações são enviadas por mensagens SMS. Para o
recebimento de mensagens SMS, mais uma thread é criada. Esta thread fica
responsável por, periodicamente, verificar se alguma mensagem foi recebida. Se houver
uma mensagem e ela for reconhecida, a thread altera a freqüência de leitura dos
sensores.
A Figura 28 apresenta um diagrama de atividades simplificado do programa que
roda no módulo XT65.
63

Figura 28 - Diagrama de Atividades do Programa que Roda no Módulo XT65
64

4.6.3 PÁGINA WEB
Na linguagem PHP foram criadas páginas tanto para coletar as informações
recebidas por GPRS, manipular o banco de dados e enviar configurações aos módulos,
quanto para disponibilizar ferramentas e informações de forma visual ao usuário. É
possível ao usuário assistir o estado atual dos transformadores e observar os gráficos
históricos remotamente através de qualquer aparelho com um browser HTTP conectado
à Internet. A página permite também que o usuário busque transformadores cadastrados
e altere informações de cadastro desde que tenha uma senha com privilégios suficientes
para tal.
A descrição das funcionalidades visuais oferecidas pela página WEB será feita
com o uso de fotografias do site. Na Figura 29 pode ser observada a página inicial.
Figura 29 - Página Inicial
Na página inicial podem ser acessadas informações sobre os membros da equipe
e a documentação completa do projeto. Possui também um link para entrar em contato
com a equipe e um link que fornecesse acesso à área restrita, local onde se encontra todo
o sistema de telemetria. Para acessar a área restrita, o usuário precisa informar um login
e senha, como mostra a Figura 30.
65

Figura 30 - Acesso à Área Restrita
Na área restrita já se pode visualizar o mapa indicando a posição dos
transformadores equipados, como mostra a Figura 31. Ao clicar no transformador
desejado, dados atuais sobre as variáveis monitoradas podem ser observados conforme a
Figura 32.
Figura 31 - Mapa com Localização dos Transformadores
66

Figura 32 - Mapa Mostrando Informações Atuais sobre um Transformador
O botão de busca presente tanto na Figura 31 quanto na Figura 32, realiza uma
busca no banco de dados pelo ID do transformador desejado. Ao encontrá-lo, o mapa
automaticamente aproxima-se da unidade.
A Figura 33 mostra a página de busca por tabela.
Figura 33 - Busca por Tabela
67

Na busca por tabela são mostrados todos os transformadores cadastrados e
podem ser observados os seus estados (ativo-verde e alarme disparando-amarelo). Aqui
os transformadores podem ser removidos do sistema. Ao se clicar no ícone do mapa,
uma janela se abre mostrando a localização do transformador. O ícone do gráfico abre
uma página especial onde podem ser gerados gráficos históricos sobre as medições. Ao
ser clicado o ícone de configuração, abre-se uma janela pop-up com opções para
configuração de freqüência dos sensores e criação de alarmes, como pode ser observado
na Figura 34.
Figura 34 - Configuração de Freqüência e Alarmes
Nas configurações de alarme, é fornecido um formulário no qual constam
campos para definição do sensor a ser monitorado, da regra do alarme ou sinal lógico da
expressão do alarme, o valor limite a ser ultrapassado para que o alarme seja disparado e
a forma de envio de alertas de disparo. O formulário para configuração de freqüência
conta com check-boxes que selecionam quais sensores devem ter sua freqüência
alterada. Escolhe-se, então, o novo valor de freqüência e a unidade de tempo. Ao serem
submetidas estas alterações, uma mensagem SMS é envaida ao módulo XT65
requisitando a mudança da freqüência dos sensores selecionados.
É possível, após a criação de alarmes, visualizar os alarmes ativos e removê-los
do sistema através da página mostrada na Figura 35. Através desta página, é possível
também, criar alarmes globais (ID = 0, com validade para todos transformadores).
68

Figura 35 - Gerência de Alarmes
Quanto aos gráficos, eles são gerados pelo servidor no formato GIF, no
momento em que o usuário pressiona o botão “gerar”, após selecionar a data de início e
fim. As imagens são geradas pelo software livre Gnuplot. A Figura 36 apresenta um
gráfico gerado pelo sistema WEB.
Figura 36 - Gráfico de Temperatura Gerado pelo Aplicativo
69

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
5.1 TESTES REALIZADOS
realizados:
Para validação do sistema como um protótipo inicial, alguns testes foram
- Manter o sistema em funcionamento durante 24 horas para avaliar questões
de confiabilidade;
- viajar com o equipamento em um veículo móvel para verificar se foi correta a
trajetória mostrada no mapa e se permaneceram íntegras as medições durante
o percurso;
- configurar alarmes em quantidades diversas e forçar a mudança das variáveis
lidas pelos sensores para provocar seus disparos;
- variar a freqüência de recebimento da leitura dos sensores para garantir que o
módulo XT65 receberá as mensagens SMS de configuração emitidas pelo
servidor corretamente;
- instalar o sistema em um transformador de potência para garantir que a
adaptação física dos sensores ao transformador é simples e rápida.
A instalação do protótipo em um transformador de potência ocorreu dentro da
fábrica da empresa TRAFO Equipamentos Elétricos S/A, situada em Gravataí-RS. O
transformador utilizado foi de 10000KVA. O transformador pode ser observado na
Figura 37.
70

Figura 37 - Transformador Utilizado para Testes
Para instalação do protótipo, o sensor de umidade SHT71 foi envolvido em um
compartimento plástico protetor e inserido no tubo de sílica gel como mostra a Figura
38.
71

Figura 38 - Inserção do SHT71 no Tubo de Sílica Gel
O PT-100 foi colocado no compartimento auxiliar do transformador. A figura 39
apresenta uma visão superior do transformador, onde ficam os compartimentos para os
PT-100s.
Figura 39 - Compartimentos do Transformador para PT-100s
72

Após a instalação do sistema, o transformador foi energizado e, durante algumas
horas, a temperatura foi monitorada até que estabilizasse. Durante o teste, a umidade
dentro do secador se manteve constante em torno de 42%. A Figura 40 mostra o gráfico
gerado com as medições de temperatura do topo do óleo.
Figura 40 - Gráfico das Medições Realizadas Durante o Teste
5.2 VIABILIDADE ECONÔMICA
Para este trabalho foi realizada uma estimativa do custo do sistema para
demonstrar sua viabilidade econômica. Os valores observados na Tabela 1 são apenas
uma média do preço unitário dos produtos nas suas principais revendedoras. Os valores
dos sensores podem sofrer maiores variações conforme a sua qualidade e o seu
fabricante.
Tabela 1 - Estimativa do Preço dos Equipamentos do Sistema
Lista dos Equipamentos
Nome do Produto Quantidade Valor aproximado em reais Total
Placa Microcontrolada 1 R$ 100,00 R$ 100,00
Módulo XT65 1 R$ 350,00 R$ 350,00
Sensor de Temperatura PT-100 2 R$ 80,00 R$ 160,00
Sensor de Umidade SHT71 1 R$ 143,00 R$ 143,00
Total R$ 753,00
73

Além do custo envolvendo os produtos citados, há também o custo com a
operadora de celular que fornecerá o serviço de GPRS. O sistema não necessita tempo-
real e a transmissão trata-se de apenas alguns bytes contendo os valores dos sensores e
coordenadas de GPS transmitidos em intervalos grandes de tempo (de minuto em
minuto ou até em intervalos de algumas horas). As operadoras de telefonia celular
oferecem planos de 40MB/mês com valores em torno de R$40,00 mensais. Com
40MB/mês se tem quase 1KB por minuto para comunicação, um valor maior do que o
necessário.
Com a finalidade de comparar o valor do sistema com o valor de um
transformador, alguns preços de transformadores também foram estimados e podem ser
vistos na Tabela 2.
Tabela 2 - Estimativa do Preço de Transformadores
Transformadores
Tipo Potência Alta Tensão Total
Trifásico 5000 KVA 6900V R$ 200.000,00
Trifásico 10000 KVA 6900V R$ 600.000,00
Trifásico 25000 KVA 138000V R$ 1.000.000,00
Trifásico 50000 KVA 230000V R$ 1.800.000,00
Trifásico 150000 KVA 230000V R$ 3.000.000,00
Mesmo para o transformador mais barato, um transformador pequeno de
5000KVA, o valor do sistema (R$741,77) representa menos de 0,5% do valor do
transformador.
Além do custo do material e de fabricação do sistema, deve ser avaliado também
o custo com pesquisa e desenvolvimento. Considerando o salário médio de um
engenheiro e as horas trabalhadas no projeto, estima-se um custo de R$18.000,00. A
forma como este valor poderá ser amortizado no preço unitário do produto dependerá de
futuras pesquisas de mercado.
Acredita-se que o custo-benefício de todo o projeto seja bastante satisfatório ao
se comparar preços, vantagens e desvantagens com outros produtos do mercado. No
74

capítulo seguinte será apresentado um exemplo de equipamentos utilizados para
telemetria em novos transformadores brasileiros.
5.3 SISTEMAS COMERCIAIS DE MONITORAMENTO DE
TRANSFORMADORES
Entre as empresas especializadas em equipamentos para monitoramento de
transformadores, destacam-se a brasileira Treetech, com matriz na cidade de São Paulo,
e a alemã Reinhausen, localizada em Regensburg. No Brasil, geralmente, são mais
utilizados os equipamentos da Treetech. Foi realizada uma pesquisa sobre os
equipamentos da empresa utilizados para monitorar variáveis semelhantes às
monitoradas por este projeto. Esta pesquisa visa apenas salientar a importância do
monitoramento de transformadores a óleo de grande porte e apontar algumas
desvantagens dos sistemas atuais que o sistema descrito aqui tenta eliminar.
Alguns aparelhos da Treetech são interessantes de serem citados. São eles os
TM1 (medidor de diferencial de temperatura, temperatura do óleo e temperatura de
bobinas), TM2 (utilizado para monitorar temperatura de bobinas adicionais), o AVR
(monitor de tensão e corrente e controlador automático do comutador sob carga que já
foi tratado com mais detalhes no Capítulo 2.4) e o MO (monitor de umidade em óleo).
Vale ressaltar que todos os aparelhos supracitados dispõem de pelo menos uma interface
serial.
A Treetech vende também um software chamado de Software de Digitalização
Smart Trafo. O software recebe informações dos aparelhos de monitoramento da
Treetech por RS485 e disponibiliza as informações na internet via HTTP. Ele gera
gráficos tanto com informações de tempo real, quanto com dados históricos
armazenados em banco de dados. Outras funcionalidades também são oferecidas e
podem ser observadas no catálogo oficial disponível no site da empresa. O Smart Trafo
é escalável e permite ao usuário compor seu próprio sistema de monitoramento,
75

escolhendo a quantidade de dispositivos e de transformadores que deseja monitorar
[45].
A desvantagem dos aparelhos da Treetech está na necessidade de um PC
instalado próximo ao transformador e na quantidade de módulos que precisam ser
comprados separadamente. A utilização de um único sistema embarcado, pequeno,
capaz de monitorar umidade, temperatura, tensão e corrente, enviando os dados por
GPRS sem a necessidade de cabos e computadores adicionais, além de tornar o sistema
mais centralizado, pode oferecer uma redução substancial de custos.
5.4 CONCLUSÃO E PROJETOS FUTUROS
O projeto desenvolvido atingiu as metas previstas para os 5 meses de pesquisa e
desenvolvimento. Os 3 dispositivos envolvidos (placa microcontrolada, módulo XT65 e
PC servidor) conseguiram se comunicar com sucesso e funcionar em conjunto com
sincronia. O sistema se mostrou estável e econômico nos testes realizados. A análise
econômica se mostrou favorável aos desenvolvedores. Acredita-se que os resultados
foram positivos e que todos os conhecimentos e tecnologias envolvidas no trabalho
foram dominados pelos componentes da equipe.
Além do conhecimento técnico, grandes projetos em equipe, com prazos curtos
para finalização, exigem o emprego de técnicas de gestão que visam organização,
eficiência, produtividade, responsabilidade, motivação e rápidas tomadas de decisão em
relação ao rumo do projeto. Durante os 5 meses se tentou realizar o trabalho seguindo
estes padrões e esta difícil busca por produtividade agrega experiência relevante no
futuro de qualquer profissional engenheiro.
Vale ressaltar que o projeto de telemetria foi construído inteiramente focado em
aplicações para transformadores, mas seu uso pode ser considerado genérico. Existem
outros departamentos e outros equipamentos para os quais a obtenção de localização por
GPS e medições de temperatura e umidade também são importantes. Podem entrar neste
contexto aplicações para monitoramento de motores, veículos subaquáticos, terrestres e
76

aéreos. Monitoramento de temperatura e umidade é útil também em estufas, saunas,
frigoríficos e outros.
Como projetos futuros ficam a inclusão do monitoramento de tensão e corrente
ao protótipo e a incorporação de sensores de umidade interna do óleo, sensores de
temperatura nas bobinas e sistemas de controle automático dos ventiladores de
refrigeração baseados na temperatura do transformador. Além de um sensor de umidade
após a sílica gel, outro sensor pode ser instalado na entrada do cano respirador. Desta
forma será possível avaliar a eficiência da sílica, medindo-se o diferencial da umidade
antes de sua entrada e após a sua passagem pelo secador. Em relação à interface com o
usuário, podem ser construídos programas para celular e PDAs que permitam monitorar
os transformadores sem a necessidade de um PC. Mais funcionalidades podem ser
adicionadas à página WEB, tais como sistemas de busca por endereço, inclusão de
curvas com estudos probabilísticos sobre a vida útil do transformador e de peças
específicas, entre outros.
77

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Paulo: Ed. Edgard Blücher LTDA, 1984. 354 p.
[2] GOLDIE, John. National Semiconductor Application Note 1057. Ten Ways to
Bulletproof RS-485 Interfaces. 1996. 10 p. Extraído de
http://www.national.com/an/AN/AN-1057.pdf em Agosto de 2008.
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1993. 17 p.
[4] MAIZTEGUI, Alberto P.; SABATO, Jorge A. Física 2. Porto Alegre: Ed.
Globo, 1973. 557 p.
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Transformadores de Potência. Rio de Janeiro, 2008. 95 p.
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Mantenimiento del Transformador. 2005, 466 p.
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Industriais: Fundamentos e Aplicações. São Paulo: Ed. Érica, 2007. 224 p.
[10] German Industrial Standards Organization. DIN IEC 751 reference platinum
precision resistance thermometers. Alemanha, 1985. 2 p.
[11] Sensirion – The Sensor Company SHT71x / SHT7x Datasheet. 2005. 9 p.
78

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and Applications. USA: West Pubilshing Company, 1991. 256 p.
[13] Texas Instruments: Precision Analog to Dgital Converter and Digital to
Analog Converters with 8051 Microcontroler and Flash Memory MSC1211,
MSC1212, MSC1213, MSC2114 Datasheet. 2004. 106 p.
[14] Texas Instruments MSC1210 Analog to Dgital Converter with 8051
Microcontroler and Flash Memory User Guide. Dalas, Texas: 2002. 321 p.
[15] Renesas Technology Corp. QSK26A Quick Start Kit User’s Manual. 2006.
[16] Renesas Technology Corp. MITSUBISHI 16-BIT SINGLE-CHIP
MICROCOMPUTER M16C FAMILY- Software Manual M16C/20 M16C/60,
Series. 2003, Abril.
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[18] Oates, M.J.; Corne, D.W Tri-phase performance profile of evolutionary
search on uni- andmulti-modal search spaces. Evolutionary Computation,
2000. 7 p.
[19] Treetech Sistemas Digitais: Relé Regulador de Tensão AVR – Manual
Técnico. 2005. 92 p.
[20] Reinhausen: Digital On-Load Tap-Changer Controller TAPCON® 250
Operating Instructions BA 297/02. 78 p.
[21] Treetech Sistemas Digitais: Catálogo Relé Regulador de Tensão – AVR.
Atibaia, SP: 2006. 8 p.
[22] Reinhausen: TAPCON® 250 Digital On-Load-Changer Controller for
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Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration. Hoboken, New
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79

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berlin.de/~jutta/gsm/js-intro.html em Agosto de 2008.
[28] GSM Association. Today’s GSM Platform. Extraído de
http://www.gsmworld.com/technology/gsm.shtml em Agosto de 2008.
[29] SANDERS, Geoff et al. GPRS Networks. Chichester, Inglaterra: Ed. Wiley,
2003. 294 p.
[30] YACOUB, Michael D.. Wireless Technology – Protocols, Standards, and
Techniques. EUA: Ed. CRC Press, 2002. 544 p.
[31] Nokia Networks Oy. GSM Architecture - Training Document. Finlândia:
Janeiro de 2002.
[32] Cisco Systems, Inc. Cisco Mobile Exchange (CMX) Solution Guide for
General Packet Radio Service (GPRS)/Universal Mobile
Telecommunications System (UMTS) networks. EUA: 2002. Extraído de
http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/wireless/moblwrls/cmx/mmg_
sg/index.htm em Agosto de 2008.
[33] Siemens AG. Wireless Modules XT65 – The M2M tracking platform. EUA,
2006. 2 p. Extraído de
http://www.mobilesolutions.ch/fileadmin/user_upload/pdf/wm/siemens/XT65_D
atasheet.pdf
[34] CONVERSE, Tim; PARK, Joyce. PHP 4 : a bíblia. Rio de Janeiro: Ed.
Campus Data, 2001. 697 p.
80

[35] ACHOUR, Mehdi et al. Manual do PHP. Extraído de
http://br.php.net/manual/pt_BR/index.php em Agosto de 2008.
[36] VALADE, Janet. PHP & MySQL for dummies. Hoboken, EUA: Ed. Wiley,
2004. 438 p.
[37] VANDER VEER, Emily A.. JavaScript for dummies. Hoboken, EUA: Ed.
Wiley, 2005. 358 p.
[38] Google, Inc. Google Map API Concepts. Extraído de
http://code.google.com/intl/pt-BR/apis/maps/documentation/ em Agosto de
2008.
[39] Intel: Hexadecimal Object File Format Specification. 1988. 11 p.
[40] Documentação SDCC. Extraído de http://sdcc.sourceforge.net em Novembro
de 2008.
[41] EclipseSDCC Project. Extraído de http://eclipse-sdcc.sourceforge.net em
Novembro de 2008.
[42] Norma DIN-IEC 751/85.
[43] MACIEL, Rudinei. A Correta Medição de PT-100’s Ligadas a 2, 3 ou 4
Fios. ECIL Ltda. Extraído de http://www.help-
temperatura.com.br/html/interesse/files/med_pt.pdf em Novembro de 2008.
[44] NetBeans: NetBeans IDE Java Quick Start Tutorial. Extraído de
http://www.netbeans.org/kb/60/java/quickstart.html em Novembro de 2008.
[45] Treetech Sistemas Digitais: Catálogo Subsistemas de Digitalização On-line
Smart Trafo. 2005. 6 p.
81

ANEXO A (CRONOGRAMA DE ATIVIDADES)
Para mostrar como foram organizadas as tarefas e divididas as etapas durante o
semestre em que o trabalho se desenvolveu, foi construído um cronograma de atividades
que está apresentado a seguir.
82