BRPI0901368A2 - dispositivo eletrÈnico sem fio para medição e comando de medidores e transmissores de variáveis de processo industriais e utilidades, alimentado por baterias ou coletor solar - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO ELETRÈNICO SEM FIO PARA MEDIçãO E COMANDO DE MEDIDORES E TRASMISSORES DE VARIáVEIS DE PROCESSO INDUSTRIAIS E UTILIDADES, ALIMENTADO POR BATERIAS OU COLETOR SOLAR. A invenção refere-se a um dispositivo micro-processado de leitura, armazenamento, computação e transmissão remota de dados, análise de condições de alarme e anomalias das variáveis medidas e transmissão remota por rede de dados celular ou outra rede de comunicação sem fio, de informações obtidas de medidores eletrónicos de utilidades (água, gás e energia elétrica) e outras variáveis de processos industriais, que possuam interface elétrica de pulso, corrente, tensão, interface elétrica IEC-870 (M-BUS), e (ou) Rádio Freqúência, alimentado por baterias de longa duração, e (ou) coletor solar.

Description

Relatório Descritivo da Patente de invenção para "DISPOSITIVOELETRÔNICO SEM FIO PARA MEDIÇÃO E COMANDO DE MEDIDORES ETRASMISSORES DE VARIÁVEIS DE PROCESSO INDUSTRIAIS E UTILIDADES,ALIMENTADO POR BATERIAS OU COLETOR SOLAR".

A presente invenção refere-se a um dispositivo micro-processado de leitura,armazenamento, computação e transmissão remota de dados, análise de condições dealarme e (ou) anomalias das variáveis medidas e transmissão remota de informaçõesobtidas de medidores eletrônicos de água, gás, energia elétrica e outras variáveis deprocessos industriais, que possuam interface elétrica de pulso, corrente, tensão,comunicação IEC-870 (M-BUS), e (ou) Rádio Freqüência, com transmissão remota porrede de dados celular, alimentado por baterias de longa duração, e (ou) coletor solar.

Os dispositivos eletrônicos de telemetria sem fios atuais não permitem suautilização de forma integrada em um ambiente heterogêneo de medidores de água, gás,energia elétrica e transmissores de sinais com interface de corrente, freqüência outensão, tais como transmissores de pressão, sensores de nível e outros transmissores devariáveis de processo, por meio de fonte de alimentação interna. Tais medidores etransmissores precisam ser alimentados por fontes externas, o que inviabiliza suautilização em locais que não possuem energia elétrica externa disponibilizada ou emsituações nas quais a localidade não possa fornecer a energia necessária. Essa é aprincipal deficiência encontrada na implantação de sistemas de monitoramento emaplicações que envolvem a leitura e comando a distância em residências, condomíniosverticais e horizontais e controle do processo nas redes de distribuição de utilidadescomo água, gás e outras variáveis de processo, onde um ponto deenergia não está disponível ou não é possível por razões técnicas ou comerciais.Atualmente, a medição de tais variáveis é feita através de leitura visual e anotaçãomanual em períodos espaçados de tempo ou não é medida diretamente, sendo estimada.Na maioria das vezes, só é possível ter ciência de um desabastecimento ou anomaliaatravés de reclamação do cliente final, através de chamada nas Centrais de Atendimentoao Cliente.

A dificuldade no desenvolvimento de um produto alimentado por bateriasou outra fonte de alimentação própria está na capacidade de gerenciar a energiadisponível em um volume físico pequeno de forma eficiente por períodos de longaduração, compatíveis com a vida útil dos elementos de medição. No estado atual datécnica, esses elementos de armazenamento são baterias carregáveis (secundárias) oubaterias primárias de longa de duração (alta densidade de energia), ou ainda célulasfotovoltaicas para conversão de energia solar com armazenamento temporário embaterias secundárias.

Nas localidades onde o problema da energia externa está presente, também écomum verificar-se a ausência de meios de comunicação convencionais por cabo, taiscomo linhas telefônicas e enlaces dedicados. Muitas vezes tais recursos, mesmo estandodisponíveis, estão a uma distância que inviabiliza sua aplicação nos sistemas demedição eletrônicos atuais, como tem sido evidenciado nos condomínios verticais jáconstruídos, onde a origem da informação está localizada distante da energia elétricaexterna, necessitando a passagem de fiação por diversas paredes exigindo obra civil nolocal.

A invenção é constituída por um dispositivo eletrônico sem fio capaz deobter informações de diversos tipos de medidores de utilidades e transmissores devariáveis de processos de forma integrada e simultânea, criando uma rede de mediçãolocal, sendo capaz de fornecer a energia para os elementos de medição desta rede etransmitir tais informações remotamente, através de uma rede de dados sem fio,alimentado por baterias internas ou fonte de energia solar (quando acoplado a um painelde células fotovoltaicas). Além disso, a invenção pode comunicar-se localmente comdispositivos externos de rádio para captação da leitura de medidores e atuação emválvula.

A invenção introduz de forma inédita uma unidade de coleta de dados pararede de medidores com protocolo padrão IEC-870 (M-BUS) através de baterias de baixatensão e para redes de dispositivos de rádio freqüência, além da leitura de medidorespulsados e transmissores de variáveis de processo com interface de corrente ou tensão.

A invenção passará a ser descrita a seguir com referência aos blocos lógicosque compõem o dispositivo:

Figura 1: apresenta o diagrama de bloco básico do dispositivo.

Figura 2: ilustra o dispositivo aplicado a uma topologia padrão.

A invenção consiste em uma Unidade Central de Coleta de Dados, por suavez constituída de uma Fonte de Alimentação Local (1) que é responsável pelofornecimento de energia para os diversos subsistemas que compõem o equipamento,caracterizada por ser autônoma, ou seja, independente de uma fonte de energia derivadada rede elétrica externa. A Fonte de Alimentação Local (1) dispõe de baterias primáriasou secundárias, em quantidade suficiente para que o equipamento cumpra a missãoespecificada, sendo responsável também pela medição e avaliação do consumo dasmesmas ao longo da missão, de forma a garantir o seu cumprimento. No caso do uso debaterias secundárias, a energia principal de alimentação do sistema é a solar, que étambém empregada na recarga das baterias, através de uma célula solar fotovoltaicaexterna, conectada ao dispositivo. Por uma Unidade Central de Processamento (2),responsável pelo gerenciamento da coleta dos dados monitorados pelo sistema, seuarmazenamento temporário local e pelo gerenciamento dos canais de comunicaçãoassociados, para envio dos dados e sinalizações locais ao Software de Gerenciamento,bem como a verificação da existência de comandos ou alterações de configuração quetenham sido disponibilizados pelo Software de Gerenciamento. A já citada UnidadeCentral de Processamento (2) é também responsável pelo gerenciamento da energia doequipamento, acionando e desligando os diversos subsistemas, conforme a necessidade.Seu projeto envolve diversas características de alta disponibilidade, de forma aevitarem-se situações de travamentos e interrupções de funcionamento que possamimpedir o equipamento de cumprir a missão especificada. Essas características deprojeto envolvem testes para autodiagnóstico e monitoramento do hardware, sinalizandoalarmes ao Software de Gerenciamento remoto. Por uma Interface de ComunicaçãoRemota (3), responsável pela integração entre o dispositivo e o Software deGerenciamento Remoto do sistema em rede WAN - Wide Area Network, pelo envioperiódico dos dados locais e pela recepção de eventuais comandos e alterações deconfiguração, conforme solicitados pelo Software de Gerenciamento Remoto. Areferida Interface de Comunicação Remota (3) permanece inativa, sem consumo deenergia, durante os períodos de tempo em que ela não é necessária; anteriormente aouso da Interface de Comunicação Remota (3) é necessária sua ativação e o fornecimentode energia de forma adequada à sua operação, através da Fonte de Alimentação Local(1). O meio físico mais comum de aplicação é a rede de dados GPRS disponibilizadapelas operadoras de telefonia celular. Outros meios de comunicação podemeventualmente ser empregados pelo sistema (redes Wi-Fi, Satélite, etc). Por umaInterface de Comunicação Local (4), responsável pela interligação entre o dispositivo eoutros dispositivos presentes na localidade, que possuam seus próprios processadores e(ou) protocolos de comunicação, através dos quais a informação desejada édisponibilizada. A Interface de Comunicação Local (4) pode interligar uma Rede deMedidores Eletrônicos (5) compatíveis com o protocolo IEC-870 (M-BUS), através decabeamento conforme especificado pela norma citada, devendo a Interface deComunicação Local (4) prover energia suficiente para a alimentação dos sensoresconectados à rede de comunicação. Em geral, os equipamentos conectados à rede IEC-870 são hidrômetros eletrônicos, medidores de energia elétrica ou gás. Por DispositivosExternos de Leitura e Atuação sem Fio (6), dotados de alimentação própria que secomunicam com a Interface de Comunicação Local (4), através de sinais de rádio,formando uma rede local sem fio, permitindo uma sensível redução do custo com ainstalação elétrica do sistema. Por uma Interface com Sensores e (ou) Atuadores (7),responsável pelo fornecimento da energia necessária à operação dos Sensores e ouAtuadores acoplados a Unidade Central, bem como a leitura periódica das grandezaspor eles medidas e as funções de controle dos sinais dos atuadores. Os Sensores (8)utilizados disponibilizam saídas analógicas em padrões de mercado, como corrente 4-20mA ou tensão 0-5V, relacionadas, proporcionalmente ou não, às grandezas medidaspelo sensor. Na grande maioria das aplicações, as grandezas medidas são pressão deágua e vazão, porém outros tipos de sensores podem ser interligados ao sistema, deforma transparente. A aplicação mais comum do sistema de Atuadores (9) é o controlede válvulas, através de pulsos de curta duração (evitando-se maior descarga do sistemade baterias), geralmente no controle de uma válvula pneumática maior (VRP, válvulasde acesso, etc). Por uma Memória Local (10), onde os dados monitorados peloequipamento são armazenados anteriormente à sua transmissão ao Software deGerenciamento Remoto, garantindo que a comunicação seja bem sucedida antes que asinformações sejam descartadas para dar lugar a informações mais recentes e garantindotambém a autonomia do sistema em situações de indisponibilidade dos canais decomunicação. Todas as informações armazenadas na memória local são identificadascom o horário no qual foram obtidas, de forma que um panorama da evolução dasgrandezas monitoradas possa ser posteriormente obtido com facilidade. Por um RelógioLocal (11), contendo informações de data e hora, horários programados para conexão epara coleta de dados, mantido em sincronismo constante com o sistema, e, porconseguinte, entre todos os equipamentos em operação, através da comunicação com oSoftware de Gerenciamento Remoto. Para garantir que as informações coletadas pordiferentes equipamentos possam ser adequadamente comparadas entre si, as leituras dosdados monitorados pelos equipamentos são realizadas em sincronismo, sempre iniciadasno horário de hora cheia, ou seja, quando os "minutos" do relógio local assumem ovalor "zero", permitindo que leituras realizadas em localidades diferentes possam sercomparadas por serem realizadas simultaneamente, quando configurados com a mesmaperiodicidade de leitura.

Claims (2)

1. - "DISPOSITIVO ELETRÔNICO SEM FIO PARA MEDIÇÃO ECOMANDO DE MEDIDORES E TRASMISSORES DE VARIÁVEIS DEPROCESSO INDUSTRIAIS E UTILIDADES, ALIMENTADO POR BATERIAS OUCOLETOR SOLAR". Caracterizado por uma Fonte de Alimentação Local (1), umaUnidade Central de Processamento (2) que controla todos os demais blocos dodispositivo, uma Interface de Comunicação Remota (3), cuja finalidade é a transmissãoe recepção de dados de um Software de Gerenciamento Remoto, por uma Interface deComunicação Local (4), cuja finalidade é a transmissão e a recepção de dados commedidores eletrônicos em rede cabeada local ou com Dispositivos Externos de Leitura eAtuação sem fio via rádio, por uma Interface com Sensores e Atuadores (7), cujafinalidade é obter leitura dos Sensores (8) e atuar nos Atuadores (9), por uma MemóriaLocal (10) onde são armazenadas as informações de configuração e as leituras dasdiversas Interfaces do Dispositivo, de forma permanente ou temporária, por um Relógio(11) para obtenção do horário em tempo real das informações.

2. - "DISPOSITIVO ELETRÔNICO SEM FIO PARA MEDIÇÃO ECOMANDO DE MEDIDORES E TRASMISSORES DE VARIÁVEIS DEPROCESSO INDUSTRIAIS E UTILIDADES, ALIMENTADO POR BATERIAS OUCOLETOR SOLAR". Conforme reivindicado em 1, caracterizado por DispositivosExternos de Leitura e Atuação sem fio (6), permitindo a leitura e atuação em Sensores eAtuadores através de comunicação via rádio, comunicando-se com a Interface deComunicação Local (4).