DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVO DE CONTROLE IOT DE BAIXO CUSTO PARA SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR COM PROPÓSITOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM PRÉDIO PÚBLICO E ENSINO POR PROJETO EXPERIMENTAL

## DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVO DE CONTROLE IOT DE BAIXO CUSTO PARA SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR COM PROPÓSITOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM PRÉDIO PÚBLICO E ENSINO POR PROJETO EXPERIMENTAL

## Valcimar Silva de Andrade , Erick Carvalho Campos , Ronaldo Fernandes 1 2 Roque 1 , Thaís da Silva Amaral 1

- 1 Instituto Federal de Minas Gerais Campus Governador Valadares, valcimar.silva@ifmg.edu.br

Palavras-chave : Eficiência Energética, IoT, Microcontrolador

## Resumo expandido

Graças ao desenvolvimento da indústria de microcontroladores e do conceito de IoT ( Internet of Things ), atualmente existem diversas plataformas para desenvolvimento de soluções em automação, acessíveis tanto no quesito financeiro quanto no quesito de aprendizagem, dado o surgimento de plataformas mais amigáveis e a colaboração entre desenvolvedores, educadores e profissionais. O ensino de física contextualizado e experimental tem-se apropriado dessas estruturas para atuar na formação de estudantes de nível médio e superior por meio de projetos. Buscou-se neste trabalho o uso do potencial dessas soluções para sanar duas demandas importantes: controle e gestão do consumo de energia elétrica relativo a condicionamento de ar em uma instituição de ensino, e aplicação prática da física em curso superior de engenharia. A ideia surgiu de três frentes: projeto integrador envolvendo estudante do referido curso, com interesse no desenvolvimento de projeto experimental aplicado; constatação da ineficiência no controle de uso de aparelhos de ar-condicionado na instituição, que é pública; acesso a microcontroladores de baixo custo. A proposta aglutinou um docente da área de Física, uma discente de Engenharia de Produção e dois servidores técnicoadministrativos, todos ligados a duas instituições federais de ensino. Percebeu-se que a proposta tinha apelos importantes (pesquisa aplicada, eficiência energética, protótipo de produto, baixo custo) e foi incubada como projeto de ensino/extensão, com foco em alternativa de eficiência energética para instituições públicas.

Fundamentalmente, pensou-se em construir uma solução de hardware e software personalizada para gerenciamento,via internet, do sistema de ar condicionado do IFMG Campus Governador Valadares, utilizando para isso microcontroladores de baixo custo com comunicação wireless e um servidor web. A ideia permitiu aprendizagem multidisciplinar via projeto e uma perspectiva de melhoria da eficiência energética de prédios públicos. Do ponto de vista da Física o projeto demandou da estudante envolvida conhecimentos de eletricidade, eletrônica, protocolos de comunicação e climatização (refrigeradores). Conhecimentos que foram, de certa forma, suscitados e aprofundados integralmente para a solução de um problema específico.Do lado multidisciplinar, relativo ao itinerário formativo do curso de Engenharia de Produção, foram empregados conhecimentos de

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automação, programação de computadores, engenharia do produto e eficiência energética.Em todo o percurso a discente recebeu orientação, afim de que estivesse apta a solucionar as demandas em cada campo e etapa, e ainda observar os caminhos e as estratégias para as soluções exigidas em um projeto que aplica diversos conhecimentos.Mesmo em escala reduzida, o projeto permitiu simular uma situação-problema típica do cotidiano de um engenheiro, uma vez que suscitou competências e habilidades do campo da física e da engenharia, necessárias para a solução dentro dos contornos estabelecidos. A título de exemplo, o conhecimento da estudante enquanto futura engenheira, dentro das discussões sobre a proposta, permitiram perceber que o projeto de ensino poderia ser tratado também como um protótipo de produto de baixo custo, com apelo econômico, ambiental e de aplicação direta da tecnologia IoT .

Definida a proposta do projeto, inicialmente foram traçados os seguintes objetivos e/ou etapasprincipais:

- 1. Caracterização do Sistema de Condicionamento de Ar.
- 2. Obtenção do protocolos de comunicação por infravermelho dos aparelhos de ar condicionado da instituição (engenharia reversa).
- 3. Desenvolvimento do Circuito de Controle e Acionamento do sistema.
- 4. Desenvolvimento do servidor web para acionamento dos controladores.
- 5. Validação do protótipo (testes de comunicação na rede e do acionamento dos aparelhos).

Na primeira etapa, a estudante pesquisou sobre o coeficiente de performance dos condicionadores de ar, os tipos disponíveis na instituição, horário e rotina de uso, eficiência dos aparelhos (via Programa Brasileiro de Etiquetagem PBE), estimativa de redução de consumo com base no número de equipamentos e horas de uso.Foram selecionados dois aparelhos para os testes do sistema, ambos da marca Komeco, com 60000 BTUs/h (17,574kW), eficiência D, tensão 220 V trifásica, localizados em um laboratório didático de Física (Figura 01) e outro no setor de reprografia. Ao todo são 30 aparelhos na instituição, e as estimativas mostraram um potencial de economia de energia variável, considerando o uso do protótipo e ações de gerenciamento (horas de uso).

Figura 01: Aparelho Condicionador de Ar - Laboratório de Física

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Nas etapas 2 e 3, a interação entre o controlador e os equipamentos condicionadores de ar foi viabilizada através de infravermelho, considerando questão de compatibilidade e preservação da integridade dos condicionadores, ou

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seja, seria possível futuramente adequar o sistema para diferentes modelos de aparelho sem nenhuma perda de garantia, uma vez que nenhuma intervenção nos circuitos dos equipamentos precisaria ser feita. Para a construção do sistema controlador foi utilizada a placa Wemos D1, baseada no ESP8266, com a qual se montou um circuito receptor e emissor de infravermelho, amplificado por um transistor NPN BC548, e compatível com Arduíno. Dessa forma o sistema configurou-se tanto para a função de emissão de sinal quanto captação, sendo esta última utilizada inicialmente na engenharia reversa necessária para decodificar os comandos e funções nos equipamentos. A figura 02 apresenta o esquemático do circuito utilizado no sistema de emissão e recepção de sinal infravermelho, bem como o aspecto do circuito montado.

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Figura 02: Esquema docircuito do sistema de emissão/recepção de Infravermelho e montagem junto ao aparelho

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Durante o processo de obtenção dos códigos de infravermelho dos aparelhos condicionadores de ar, foi possível observar duas peculiaridades: são extremamente longos e são raramente encontrados em bibliotecas públicas de protocolos. Devido a essa questão técnica importante, a etapa de engenharia reversa dos sinais apresentou desafios adicionais, que permitiram lidar com o processamento de sinais digitais reais e diversas nuances que não se tem oportunidade de explorar com profundidade fora do ambiente experimental. Desafios como a mitigação de ruído provenientes de lâmpadas, extração dos períodos reais de pico e vale, mapeamento dos sinais de abertura e finalização da instrução (que são diferentes do padrão do sinal) e ajuste de buffer da biblioteca de captação (IRremoteESP8266) foram extenuantes, mas enriquecedores em termos de aprendizagem. Ao final , foi identificado o vetor responsável por carregar os comandos nos aparelhos (figura 03).

Figura 03: Registro da obtenção do código de infravermelho

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Finalizada a etapa de programação do sistema de controle, foi desenvolvida uma interface gráfica amigável, responsiva e disponibilizada pela web aos operadores responsáveis por gerenciar o sistema. A gestão com objetivo de

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melhorar a eficiência se dará pelo controle do acionamento e monitoramento de uso dos aparelhos. A figura 04 mostra a interface gráfica desenvolvida em PHP (as primeiras versões foram feitas em html e javascript ),assim como parte dos códigos infravermelho para acionamento das funções de cada condicionador de ar. Para se ter uma noção da extensão do código, cada vetor de acionamento dos condicionadores testados possui 198 valores. Como pode ser visto na figura, apenas dois botões ficam visíveis todo o tempo e existe um botão adicional denominado 'Opções' que apresenta uma visualização de parâmetros no modo 'Somente Leitura', que sempre inicializa de forma oculta com intuito de facilitar a manutenção por parte da equipe do projeto.

Figura 04: Layout da interface de controle

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Para demonstrar a robustez do protótipo em regimes de uso prolongado, duas unidades foram instaladas para testes em campo, uma no laboratório de física e outra na sala de reprografia. Elas permaneceram ligadas durante todo o período de testes, cerca de dois meses, com acionamento realizado através da interface gráfica. Foi observado bom funcionamento, baixo consumo de potência (típico de uma placa Arduíno), ausência de problemas de ruídos com o infravermelho e estabilidade nos registros. Isso demonstra a funcionalidade de todas as estruturas do sistema: interface gráfica, comunicação da central com o controlador, acionamento do condicionador de ar pelo controlador via infravermelho e registro dos horários de acionamentos.

A proposta demonstrou ter viabilidade conceitual, prática e educacional, uma vez que o projeto permitiu utilizar microcontroladores de baixo custo e IoT na confecção de um sistema de controle de ar condicionado centralizado, com a participação de estudante de engenharia na construção de protótipo de equipamento para fins de eficiência energética. Não foi possível mensurar o ganho de aprendizado quantitativamente, mas a mobilização de todo o conhecimento é comprovada pela construção e teste de funcionalidade do protótipo.

Conforme os objetivos iniciais e visão do protótipo como produto, em discussões com os envolvidos, pretende-se desenvolver uma nova versão do mesmo com funcionalidades que o tornariam mais atrativo, entre elas: a medição do consumo, o bloqueio de acionamento por outros meios e uma forma de acoplamento mecânico ao aparelho. As duas primeiras funcionalidades foram imaginadas com a

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adição de TCs (transformadores de corrente) para medição de corrente e energia consumida, e colocação de relés nos contatores que acionam o circuito de força, o objetivo é desabilitar esse circuito quando não se desejar ou permitir o funcionamento. Também foi encontrada na literatura o possível uso de inteligência artificial para autonomia do sistema, mas esse é um passo que demanda maior know-how e evidentemente um projeto efetivo de pesquisa com financiamento. Pretende-se também utilizar o sistema desenvolvido em aulas de outros cursos e disciplinas, como Recursos Energéticos, em estudo de caso e/ou demonstração de seu funcionamento.

## Referências

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