rede de sensores alimentada por um sistema de coleta...

REDE DE SENSORES ALIMENTADA POR UM SISTEMA DE

COLETA DE ENERGIA DO AMBIENTE.

Mayli Silva de Souza

Projeto de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Eletrônica e de Computação

da Escola Politécnica, Universidade Federal

do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do t́ıtulo de Enge-

nheiro.

Orientador: Antônio Carlos Moreirão de

Queiroz

Rio de Janeiro

Setembro de 2016

REDE DE SENSORES ALIMENTADA POR UM SISTEMA DE

COLETA DE ENERGIA DO AMBIENTE


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE COMPUTAÇÃO DA ESCOLA PO-

LITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO

PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU

DE ENGENHEIRO ELETRÔNICO E DE COMPUTAÇÃO

Autor:


Orientador:

Prof. Antônio Carlos Moreirão de Queiroz, D. Sc.

Examinador:

Prof. Jose Gabriel Rodriguez Carneiro Gomes, Ph.D.

Examinador:

Prof. Carlos Fernando Teodósio Soares, D. Sc.

Rio de Janeiro

Setembro de 2016

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Escola Politécnica - Departamento de Eletrônica e de Computação

Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária

Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900

Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que

poderá inclúı-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar

qualquer forma de arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibli-

otecas deste trabalho, sem modificaçãode seu texto, em qualquer meio que esteja ou

venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem

finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es).

iii

AGRADECIMENTO

Gostaria de agradecer primeiramente a Deus que é digno de receber toda honra.

Sem a fé e a esperança depositadas nele, nada disso seria posśıvel. Também quero

agradecer a minha famı́lia, aquela que nunca deixou de me apoiar e ajudar no que

fosse preciso. Meus pais, Marcos e Márcia, que sempre deram todo suporte que

puderam, que acreditaram em mim em todos os momentos e que nunca duvidaram

que eu era capaz. Agradeço à minhas queridas irmãs, Mayná e Maytê, que sempre

despositaram em mim toda a confiança posśıvel e por terem me encorajado mais

do que ninguém. Ao Leon, meu braço direito, que me acompanhou de perto, que

me auxiliou em tudo que fosse posśıvel e que nunca mediu esforços para me ver

sorrir. Também gostaria de deixar um agradecimento especial ao meu orientador

Antônio Carlos, que esteve comigo por anos. Agradeço por toda paciência, por

todos os ensinamentos de qualquer caráter e por ter sido um marco na minha vida

acadêmica. Por fim, agradeço a todas estas peças primordiais que tornaram isso

posśıvel.

iv

RESUMO

Este trabalho visa a aplicação de microgeradores de energia elétrica, baseados em

geradores eletrostáticos acionados por vibrações mecânicas, como fonte de alimenta-

ção para módulos sensores que se comunicam por sinais de rádio, com aplicação em

sensoriamento em áreas de dif́ıcil acesso, onde existam fontes de vibração mecânica

dispońıveis. Os microgeradores deste tipo são baseados em capacitores variáveis me-

canicamente que podem ser constrúıdos por técnicas de microeletromecânica, o que

os torna muito compactos. O sistema usualmente opera em conjunto com um cir-

cuito controlador envolvendo um conversor CC/CC para reduzir uma relativamente

alta tensão de sáıda para uma mais baixa, que é então utilizada para alimentar o

próprio sistema de controle, possivelmente sem necessidade de uma bateria para ar-

mazenamento de energia. O módulo sensor é composto de um microcontrolador de

baixo consumo, de um transceptor (opera tanto como transmissor ou receptor) e do

sistema de medição da grandeza desejada. Com geradores de pequenas dimensões, a

potência que pode ser obtida é pequena, menos de 100 µW tipicamente. Isto requer

operação da carga em modo intermitente com baixo ciclo de trabalho, operando bre-

vemente com alta potência consumida entre longos intervalos de inatividade, onde a

energia é acumulada em um capacitor. Devido à baixa potência dispońıvel e ao breve

peŕıodo dispońıvel para consumo, o desafio é estabelecer uma comunicação entre os

módulos sensores dentro deste curto intervalo de tempo consumindo necessariamente

pouca energia.

Palavras-Chave: microgeradores, comunicação, sensores, vibração, microcontrola-

dor.

v

ABSTRACT

This work aims the application of electric power microgenerators, based on elec-

trostatic generators driven by mechanical vibration, as power supply for sensors

modules that communicate by radio signals, which applies to sensing for use in hard

to reach areas where there are mechanical vibration sources available. The micro-

generators of this type are based on mechanically variable capacitors which may be

build by microelectromechanical techniques, which makes them very compact. The

system usually operates with a controller circuit involving a DC/DC converter to

reduce a relatively high voltage to a lower one, which is then used to power the

control system itself, possibly without the need of a battery for energy storage. The

sensor module consists of a low-power microcontroller, a transceiver (operates also

as a transmitter or a receiver) and the measurement system. With small generators,

the power that can be obtained is small, typically less than 100 µW. This requires

operation of the load intermittently with low duty cycle, operating briefly with high

power consumption between long sleep intervals, where the energy is accumulated in

a capacitor. Due to the low power available and the short available period for con-

sumption, the challenge is to establish a communication between the sensor modules

within this short time interval necessarily requiring little power.

Key-words: microgenerators, communication, sensors, vibration, microcontroller.

vi

SIGLAS

UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro

MEMS - Microelectromechanical Systems

CC - Corrente Cont́ınua

PIC - Peripheral Interface Controller

MCU - Micro Controller Unit

SPI - Serial Peripheral Interface

GFSK - Gaussian frequency-shift keying

ADC - Analog to Digital Converter

EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory

vii

Conteúdo

1 Introdução 1

1.1 Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Descrição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Sistema de Coleta de Energia 5

2.1 Dobrador de Bennet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Máquina de Wilson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Circuitos de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Controle Modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Comunicação entre Módulos 13

3.1 Delimitações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Dispositivos Utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2.1 Microcontrolador PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2.2 Transceptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2.3 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Algoritmo Desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3.1 Cenário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.3.2 Módulo Remoto e Módulo Base . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.3.3 Protocolo de Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3.4 Problemas encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3.5 Algoritmo Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

viii

4 Resultados Experimentais 28

4.1 Resultados Práticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2 Resultados Teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5 Conclusão e Trabalhos Futuros 48

5.1 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Bibliografia 51

A Algoritmo PIC 53

B Algoritmo Arduino 55

C Esquemáticos 57

ix

Lista de Figuras

2.1 Versão eletrônica do dobrador de Bennet. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Versão do dobrador como carregador de bateria. . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3 Dobrador com energia extráıda através de um conversor CC/CC do tipo

buck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4 Máquina de Wilson. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5 Circuito de controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.6 Novo circuito de controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.1 PIC 16F628A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2 Transceptor nRF24L01+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3 Arduino Due . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4 Estação remoto e estação base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.5 Etapas de transmissão e recepção entre os módulos. . . . . . . . . . . . . 20

3.6 Trecho do código. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1 Placa experimental para o módulo remoto. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2 Placa experimental e Gerador Eletróstático. . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.3 Arduino e Transceptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.4 Porta serial problema 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.5 Porta serial problema 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.6 Problemas em conjunto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.7 Acionamentos do remoto em vermelho e recarga da fonte de 3 V em azul. . 33

4.8 Capacitor que controla o tempo do monoestável. . . . . . . . . . . . . . . 33

4.9 Capacitor de sáıda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.10 LED em azul e sáıda regulada de 3 V em vermelho. . . . . . . . . . . . . 35

x

4.11 LED em azul, Pino CE do PIC em vermelho e sáıda regulada de 3 V em

verde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.12 Pino RB0 do PIC em azul e sáıda regulada de 3 V em vermelho. . . . . . 37

4.13 Sáıda regulada de 3 V em azul e LED sinalizador de problema em vermelho. 38

4.14 Sáıda regulada em azul, LED sinalizador de problema em vermelho e LED

referente ao estado OK em verde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.15 Pino RB0 do PIC em vermelho e sáıda regulada em azul. . . . . . . . . . 40



4.18 Diagrama de tempo quando há problema no sensor 1. . . . . . . . . . . . 43

4.19 LED sinalizador de OK em azul e sáıda regulada em vermelho. . . . . . . 44

4.20 LED sinalizador de OK em vermelho e sáıda regulada com menor consumo

em azul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.21 LED sinalizador de problema em vermelho, de estado OK em verde e sáıda

regulada ampliada em azul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

C.1 Conexão PIC e nRF24L01+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

C.2 Conexão Arduino e nRF24L01+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

xi

Lista de Tabelas

3.1 Especificações técnicas PIC 16F628A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Especificações técnicas nRF24L01+. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3 Especificações de consumo nRF24L01+. . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4 Especificações do Arduino Due. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.5 Protocolo de comunicação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

xii

Caṕıtulo 1

Introdução

1.1 Tema

Uma nova área de pesquisa aberta recentemente é a de sistemas de captura

de energia do ambiente, para alimentar circuitos com sensores autônomos. Pesquisas

têm sido feitas nos últimos anos sobre captura de energia diretamente por circui-

tos integrados usando fontes fotovoltaicas, térmicas, vibracionais, etc. No caso das

fontes vibracionais, as formas que parecem adequadas para integração, usando sis-

temas microeletromecânicos (MEMS) são o uso de piezoeletricidade e eletrostática.

Geradores eletrostáticos usando capacitores variáveis simples alterados por vibração

foram reportados na literatura recente, mas estes usualmente requerem um com-

plicado sistema de controle e conversores CC/CC para extração de energia, que é

sempre muito pouca, microwatts no máximo. Observou-se em [1] que era posśıvel

usar a estrutura de alguns geradores eletrostáticos clássicos simples, notadamente

o “dobrador de Bennet”, ou “dobrador de eletricidade”, para captura de energia de

vibração, sem necessidade de um sistema de controle e com alta eficiência. Também

foi mostrado em [1][2] que é posśıvel explorar a instabilidade dos geradores eletros-

táticos para gerar potências bem maiores do que é posśıvel obter com geradores

baseados em um único capacitor variável se for posśıvel a operação em tensão ele-

vada. Portanto, seria posśıvel construir um gerador eletrostático integrado gerando

até miliwatts de potência.

Com intuito de aproveitar esta descoberta, o projeto visa aplicar a energia

dispońıvel no processo descrito para usá-la em comunicações por rádio, visando cons-

1

truir um sistema de transmissão e recepção autônomo. Desta forma, o trabalho tem

como propósito a construção de um sistema de demonstração consistindo de um

transmissor de rádio de baixo consumo que transmite a leitura digital de sensores

periodicamente, alimentado pelo gerador elétrico que extrai energia de vibrações

mecânicas. A aplicação de sistemas assim é em redes de sensores, onde os elementos

sensores são autônomos, têm dimensões reduzidas e não têm conexões f́ısicas ex-

ternas. Uma interessante possibilidade é a de o sistema ser totalmente constrúıdo

em circuito integrado, incluindo o gerador eletrostático de energia implementado em

microeletromecânica. O dispositivo pode então ser constrúıdo totalmente selado e

com dimensões muito reduzidas, dispensando até mesmo uma bateria interna recar-

regável. A principal vantagem deste sistema é a monitoração remota de sensores

instalados em locais que são pouco acesśıveis, uma vez que este sistema não requer

manutenção e não será necessário a troca de baterias visto que o sistema é autônomo.

Os sensores podem ser usados para monitorar o estado de processos industriais, de

véıculos, de sondas de perfuração, etc.

1.2 Objetivos

O objetivo geral é conseguir realizar um sistema de transmissão por rádio de baixo

consumo que consiga monitorar uma rede de sensores de maneira autônoma e ali-

mentado pelo microgerador. Nos trabalhos [3] [4] foram desenvolvidos protótipos

macroscópicos do gerador eletrostático e de alguns circuitos de controle que viabi-

lizam a utilização da energia pelo sistema de comunicação. Alguns ajustes deverão

ser realizados no circuito de controle e no gerador elestrostático para atender às es-

pecificações dos dispositivos relacionados à transmissão. Desta forma, tem-se como

objetivos espećıficos:

• Viabilizar o processo de utilização da pouca energia dispońıvel com um

sistema de baixo consumo;

• Construir um sistema de transmissão e recepção adequado às especificações

e restrições;

• Elaborar um algoritmo que realize a comunicação de um microcontrolador

de baixo consumo com o dispositivo de transmissão de rádio.

2

1.3 Metodologia

A finalidade é adequar todo o projeto a utilizar o sistema de coleta de energia

que é fruto do trabalho realizado em [3]. Assim, a energia dispońıvel é gerada por

um gerador eletrostático acionado por vibração mecânica, que disponibiliza perio-

dicamente uma pequena quantidade de energia. É em conformidade com o sistema

de coleta de energia e seu circuito de controle que serão adequadas as necessidades

para aplicação na rede de sensores. Visando um baixo consumo dos dispositivos que

participarão da transmissão e recepção dos sinais digitais proveninentes dos sensores,

foi escolhido utilizar um microcontrolador PIC para realizar a interface de controle

entre o sensor e o dispositivo de transmissão e recepção por rádio.

O PIC será responsável pelo protocolo de comunicação com o transceptor, assim

que o gerador estiver pronto, ou seja, com energia dispońıvel, as funções a serem im-

plementadas seriam: O módulo sensor alimentado pelo sistema de coleta de energia

deve primeiramente coletar a informação do sensor e a transmitir junto com códigos

de identificação e endereçamento, de acordo com protocolo a ser especificado. A

seguir, enquanto ainda há energia dispońıvel, ou em um próximo ciclo (caso a sin-

cronia seja perdida no anterior), deve monitorar o receptor de rádio esperando uma

resposta da base com instruções ou confirmação de recebimento. A estação base do

sistema é similar, porém será utilizado um Arduino no lugar do PIC com o mesmo

módulo de rádio usado na estação remota, mas ficará sempre ligada esperando re-

ceber comunicações da rede de sensores. Um computador deve poder acessar as

informações no módulo base, recebidas dos módulos sensores, e comandar o envio

de instruções aos sensores. Um aspecto importante do sistema é o controle de ener-

gia nos módulos sensores, que devem ficar normalmente em modo de extremamente

baixo consumo ou desligados enquanto não houver energia dispońıvel. Quando o

gerador informar que há energia dispońıvel, deve-se usar esta energia da forma mais

eficiente posśıvel, rapidamente, voltando ao modo de baix́ıssimo consumo ordena-

damente até o próximo ciclo. Uma possibilidade a investigar é a comunicação entre

módulos sensores, por exemplo em um caso em que um sensor esteja muito distante

da base, mas possa se comunicar com outros sensores, que repetiriam sua informação

até que ela chegue na base. O pequeno ciclo de trabalho permitido pelo sistema de

3

coleta de energia pode tornar dif́ıcil esta forma de operação.

1.4 Descrição

O Caṕıtulo 2 descreve os principais geradores de energia utilizados para realização

deste trabalho e suas fundamentais diferenças. Também serão abordados os circuitos

de controle para os diferentes tipos de gerador, juntamente com a descrição das

mudanças necessárias para adequação do ciclo de trabalho e da energia necessária

para o processo de alimentação dos módulos de sensores.

O Caṕıtulo 3 apresenta os fundamentos da comunicação entre os módulos. São

apresentadas as especificações e o detalhamento dos dispositivos utilizados, assim

como as delimitações para o desenvolvimento do algoritmo. Todo este algoritmo é

explicitado apresentando uma detalhada interpretação do processo escolhido para

realizar a comunicação entre os módulos.

Os resultados experimentais são apresentados no Caṕıtulo 4. Nele será apresen-

tado todo o sistema de funcionamento constrúıdo macroscopicamente.

No Caṕıtulo 5 serão abordadas idéias para trabalhos futuros e a conclusão final

deste trabalho.

4

Caṕıtulo 2

Sistema de Coleta de Energia

2.1 Dobrador de Bennet

Com a crescente demanda atual para utilização de sensores em aplicações diversas

e que necessitam de monitoramento, ou seja, consigam se comunicar transmitindo e

recebendo informações, a utilização de dispositivos que não necessitem de troca de

bateria, reposição ou manutenção parece ser oportuno. Geralmente, estes sistemas

requerem pouca energia e operam sem atividade na maior parte do tempo, enviam

ou transmitem informações em ciclos de trabalhos espećıficos ou apenas quando

necessário. Baseado nessas premissas, entende-se que é desejável que hajam formas

de extração de energia do ambiente para que estes sistemas possam trabalhar de

forma consistente quando for solicitado.

Sistemas de coleta de energia são usados para extrair energia elétrica do meio

ambiente em situações onde o uso da rede elétrica ou de uma bateria são imposśıveis

ou incovenientes. Uma possibilidade é a captura de energia vibracional através de um

dispositivo capacitivo, onde um capacitor é constrúıdo para variar sua capacitância

por meio da variação da distância entre suas placas através da energia de vibração.

Se o capacitor é inicialmente carregado de alguma maneira, uma redução da sua

capacitância pela separação das suas placas, converte energia mecânica em energia

elétrica [1]. Tais dispositivos capacitivos possuem como vantagem a possibilidade de

serem constrúıdos utilizando técnicas MEMS.

5

Figura 2.1: Versão eletrônica do dobrador de Bennet.

Uma clássica estrutura proposta inicialmente por Abraham Bennet em 1787 apre-

sentou o primeiro gerador eletrostático do tipo “dobrador de eletricidade”, que fun-

ciona por meio de indução eletrostática. De um modo geral, podemos dizer que

geradores eficientes podem ser obtidos explorando as estruturas clássicas de gerado-

res elestrostáticos. Em [1], uma estrutura diferente é proposta, utilizando capacitores

variáveis e diodos para operar de maneira similar ao dobrador de Bennet.

A idéia do dobrador de Bennet é que a cada ciclo uma carga inicial, que por menor

que seja está sempre presente, seja dobrada para que possa gerar uma alta tensão em

apenas alguns ciclos de operação do circuito. No entanto, no circuito da figura 2.1 o

dobrador não será iniciado automaticamente se não possuir uma tensão inicial que

seja suficiente para polarizar os diodos, de modo que consiga dar ińıcio à operação

de multiplicação da carga. Entretanto, pode ser iniciado com sinal de interferência

elétrica das vizinhanças, que é o que acontece com o protótipo constrúıdo em [3].

Sempre se pode colocar uma antena para isto. Todavia, esta questão não é problema

quando o objetivo é se comportar como um carregador de bateria. O dobrador pode

ser utilizado de diversas maneiras como um carregador de bateria na versão mais

simples, C1 é substitúıdo por uma bateria como na figura 2.2.

O dobrador da figura 2.1, em condições proṕıcias com as capacitâncias variando

ciclicamente, é instável com as tensões crescendo exponencialmente e sendo multi-

6

Figura 2.2: Versão do dobrador como carregador de bateria.

plicadas por um fator a cada ciclo de variação da capacitância [2]. Em [1] também

foi brevemente mencionado que a instabilidade do dobrador pode ser utilizada de

maneira vantajosa, permitindo que a tensão em C1 cresça até um valor alto e depois

descarregando a energia armazenada em uma bateria usando um conversor CC/CC.

Em [2] são feitas análises do modelo do dobrador funcionando como carregador

de bateria. O fato de o gerador poder ser iniciado com pouca carga inicial, que pode

ser proveniente de rúıdo elétrico ou interferência externa, é usado para eliminar o

uso de bateria.

Uma das técnicas dispońıveis implementa geradores eletrostáticos simples basea-

das em capacitores variáveis que, na maioria dos casos, exploram o ganho de energia

que é obtido quando um capacitor mecanicamente variável é carregado quando a

sua capacidade é grande e, em seguida, descarregado quando a sua capacidade é

pequena. Conversores CC/CC são utilizados para implementar de forma eficiente a

operação de carga e descarga, o que requer um sistema de controle um pouco com-

plexo, transformando a alimentação do sistema de controle em uma questão nada

fácil [3].

No modelo para o dobrador mostrado na figura 2.1, uma carga inicial no capacitor

C1 é multiplicada por um fator que pode chegar a um máximo de dois em cada ciclo

da variação da capacitância de Ca e Cb (dáı o nome “dobrador”) e depois de alguns

7

Figura 2.3: Dobrador com energia extráıda através de um conversor CC/CC

do tipo buck.

ciclos atinge um limite que é dado apenas pelas tensões de ruptura dos dispositivos.

A forma mais simples de usar o dobrador como fonte de energia é com o capacitor

C1 substitúıdo por uma bateria, onde o dobrador não necessitaria de um sistema de

controle. Estas formas foram estudadas em [5] [6]. A quantidade de energia obtida

deste modo é muito pequena, caso a operação seja em baixa tensão. Quando mais

energia é necessária, uma possibilidade é a de deixar o dobrador (na forma da figura

2.1) atingir a maior tensão posśıvel, e em seguida, extrair a energia armazenada na

sua sáıda por um conversor CC/CC, como na figura 2.3.

Em inúmeros experimentos com esta estrutura, verificou-se que o dobrador nunca

falha para começar a operar, mesmo quando nenhuma carga inicial expĺıcita é for-

necida [3]. Isto permite a possibilidade de evitar a utilização de uma bateria, permi-

tindo que o dobrador apenas carregue um capacitor de armazenamento através do

conversor CC/CC, com um regulador de tensão implementado para manter a tensão

máxima constante. Um sistema de carregamento passivo alternativo também deve

existir, para alimentar o sistema de controle do conversor quando o dobrador começa

a operar.

Importante salientar que para extrair alguma energia considerável do dobrador, é

necessário colocar um capacitor de carga, pois do contrário, só será extráıda energia

dos capacitores internos do dobrador, o que é muito pouco. Existe um capacitor

ótimo de carga que extrai a maior potência posśıvel em [7] há um estudo detalhado

8

sobre como escolher este capacitor ótimo.

2.1.1 Máquina de Wilson

Figura 2.4: Máquina de Wilson.

A máquina de Wilson também é um gerador eletrostático baseado em capacitores

variáveis, porém ela possui algumas diferenças quanto ao dobrador de Bennet. Um

estudo sobre a máquina de Wilson foi feito em [8] onde são descritos detalhes sobre

seu funcionamento. A figura 2.4 mostra a versão eletrônica da máquina de Wilson,

que é ligada ao conversor CC/CC da mesma forma que o dobrador.

Este gerador permite um ajuste da potência gerada, com mais flexibilidade que

no dobrador, pois possui duas sáıdas onde a tensão no lado não usado como sáıda

da máquina pode ser limitada em valores à escolha, até certo limite natural.

2.2 Circuitos de Controle

A carga ideal transferida por descarga na figura 2.3 é obtida equacionando a

energia armazenada na capacitância de sáıda do dobrador. Quando a chave está

fechada e o capacitor C1 possuindo tensão VC1 iguala-se a energia armazenada na

capacitância do dobrador com QV0:

Q =(C1 + Cab)V

2C1

2V0(2.1)

9

Figura 2.5: Circuito de controle.

Cab é a contribuição de Ca e Cb em série. Considerando VD4 a queda no diodo

D4 e VD5 a queda no diodo D5, a equação da carga se torna:

Q =(C1 + Cab)(VC1 + VD5)

2

2(V0 + VD4 + VD5)(2.2)

O dobrador recupera de uma descarga em poucos ciclos após a mesma, porque a

carga no nó entre os capacitores variáveis não é perdida. À medida que o tempo

de recuperação e Q são ambos proporcional a C1, há pouco efeito na utilização de

maiores ou menores C1. Um valor um pouco menor do que o máximo de Ca ou Cb

é o adequado, resultando na recuperação de um ou dois ciclos [3].

A figura 2.5 mostra uma versão do sistema de controle que é alimentado pelo

dobrador e também fornece energia para si mesmo. Um diodo Zener D9 foi adici-

onado para regular, ou melhor, para limitar a tensão de sáıda e3. A limitação da

máxima tensão de sáıda do dobrador foi feita pelo diodo D8 avalanche já presente

no transistor de alta tensão M4. O circuito mede a tensão de sáıda do dobrador, e1,

10

através do divisor capacitivo C11-C12 ligado a M1. Quando e1 é suficientemente alta,

M1 conduz e dispara o circuito mono-estável abaixo, que liga o transistor de alta

tensão M4, a chave do conversor buck, M2, que reseta a sáıda do divisor capacitivo,

e M3, que retorna a tensão na entrada da porta NAND para ńıvel alto, formando

um “inversor dividido” com M1.

Este sistema de controle consome energia praticamente apenas para chavear M4,

com um pouco de energia adicional consumida pelo monoestável e idealmente tem

um consumo de energia insignificante enquanto monitora a tensão de sáıda do do-

brador. O resistor grande R2 foi conectado à fonte de alimentação para que, deste

modo, C12 seja carregado lentamente, acionando o monoestável periodicamente caso

não seja acionado pelo divisor capacitivo. Quando o dobrador começa a operar, e

e3 é muito baixo para alimentar as portas CMOS, sua tensão de sáıda e1 sobe até

a tensão de ruptura de D8, e sua operação é como em um carregador de bateria

conectado diretamente puxando alguma corrente para carregar C3 através de D8,

elevando e3. A carga entregue a cada ciclo, ignorando as quedas dos diodos, em

função dos valores dos capacitores do dobrador nas fases 1 e 2 do ciclo de operação

(Ca1 e CB2 pequeno, Ca2 e Cb1 grande) e de Vbreak, a tensão de ruptura de D8 mais

a tensão de sáıda sobre C3, é:

Q = Vbreak

Ca2Ca1− Cb2

Cb1− 1

1Ca1

+ 1Cb1

(2.3)

A corrente fornecida neste modo é pequena, e assim uma carga adicional a ser

alimentado pelo sistema deve estar no modo de espera de baixa energia durante a

inicialização. Quando a tensão sobre C3 sobe o suficiente, o conversor buck começa

a operar.

2.2.1 Controle Modificado

Para utilizar o circuito de controle da figura 2.5 neste projeto, foram necessários

alguns ajustes, como mostra a figura 2.6. Foi acrescentado um contador que aciona a

carga a cada 128 acionamentos do conversor. Um monoestável controla o tempo em

que a carga é acionada. Uma fonte de 3 V foi constrúıda para alimentar o PIC e o

11

Figura 2.6: Novo circuito de controle.

transceptor (que suporta tensões de alimentação de até 3.6 V no máximo) e é gerada

por um transformador feito com o indutor do conversor buck. O indutor primário de

5 mH fica com 6.8 V durante o acionamento, gerando 3.6 V sobre o secundário de

1.4 mH, e 3 V na sáıda, aproximadamente. Um Zener de 3.3 V garante que a tensão

não passe de 3.3 V, o que poderia acontecer com pouca carga. O resistor pontilhado

é uma fuga que deve existir para garantir que o circuito comece a funcionar. Pode

ser alcançada com um diodo grande inversamente polarizado porém é melhor ser um

Zener com alguma fuga ou mesmo um LED.

12

Caṕıtulo 3

Comunicação entre Módulos

3.1 Delimitações

Transmitir informações de sensores não é uma tarefa dif́ıcil quando o projeto não

possui ŕıgidas especificações de consumo e tempo. Apesar desta tarefa ser aparente-

mente fácil, nesta aplicação, o desafio é conseguir estabelecer uma comunicação de

baix́ıssimo consumo de energia em menos de 20 ms.

O primeiro problema começa na escolha do microcontrolador que ficará ligado

ao sensor e ao transceptor. Atualmente existem diversos microcontroladores muito

potentes com frequência de clock na ordem de centenas de MHz, que fazem com

que as informações e cálculos sejam processados muito rápido. Seria ideal a escolha

de um destes, caso a restrição fosse apenas a transmissão e recepção em um curto

peŕıodo de tempo. Entretanto, estes microcontroladores modernos, ao custo de seus

velozes processadores, devido a grande quantidade de diferentes periféricos e a alta

capacidade das memórias, consomem muito acima do que temos dispońıvel quando

é utilizado o dobrador apresentado no caṕıtulo 2 como alimentação.

Devido a impossibilidade da utilização de microcontroladores mais modernos e

atuais, a solução foi procurar alternativas de baixo consumo e com uma frequência

de clock razoável que permitam atender às necessidades de tempo e consumo.

Na seções seguintes, as tentativas de estabelecer uma comunicação entre os mó-

dulos serão detalhadas, assim como a estratégia utilizada para implementação do

13

algoritmo final.

3.2 Dispositivos Utilizados

3.2.1 Microcontrolador PIC

Devido às delimitações apresentadas, a solução encontrada foi utilizar microcon-

troladores PIC para fazer o controle do módulo que será alimentado pelo dobrador

de eletricidade.

Figura 3.1: PIC 16F628A.

Microcontroladores PIC são controladores programáveis que possuem a vantagem

de ter baixo custo e consumo. Existem diversos tipos de microcontroladores PICs,

variam tanto em relação a quantidade de periféricos, capacidade das memórias e

arquiteturas. Para este trabalho, escolhemos um PIC simples. Ele possui poucos

periféricos porém detém a vantagem de ter modos de baix́ıssimo consumo.

O escolhido foi o PIC 16F628A (figura 3.1), um microcontrolador de 8 bits, onde

algumas de suas principais especificações encontram-se na tabela 3.1. Mais informa-

ções sobre este modelo pode ser encontrado em [9].

Este PIC também possui a vantagem de suportar osciladores externos. Como o

clock interno do PIC (4 MHz) é relativamente baixo, poderia se optar por colocar,

14

Tabela 3.1: Especificações técnicas PIC 16F628A.

Oscilador interno 4 MHz

Corrente de Operação 120 µA @ 1 MHz, 2.0 V, typical

Corrente de Standby 100 nA @ 2.0 V, typical

Pinos I/O 16 com controle de direção

Memória de Programa/Flash 2048 palavras

Memória de dados - SRAM 224 bytes

Memória de dados - EEPROM 128 bytes

Timers 8/16 bit 2/1

por exemplo, um oscilador a cristal externamente para aumentar a velocidade de

processamento. Isto seria um benef́ıcio que reduziria a preocupação com o pouco

tempo dispońıvel para o PIC executar as tarefas, porém osciladores a cristal não se

estabilizam instantaneamente. Entretanto, osciladores externos poderiam ser uma

boa alternativa a se testar. Neste trabalho, mesmo com a baixa frequência do

oscilador interno o objetivo foi atingido e não foi necessário a inclusão de um clock

externo.

3.2.2 Transceptor

O transceptor é um dispositivo que pode ser configurado para se comportar tanto

como um transmissor ou como um receptor. Ele ficará ligado no PIC e será contro-

lado e configurado por ele. Sua função será de inicialmente transmitir a informação

lida do sensor pelo PIC e em seguida receber uma instrução da base de comunicação

para que o microcontrolador a execute.

O dispositivo de comunicação escolhido foi o nRF24L01+ (figura 3.2). Este trans-

ceptor opera na frequência de 2.4 GHz e possui funcionamento adequado para apli-

cações sem fio e de ultra baixa potência. Para projetar um sistema de rádio com

o nRF24L01+, é necessário apenas um MCU (microcontrolador) sem componentes

passivos externos. Este transceptor (ou rádio) utiliza o protocolo de comunicação

SPI (Serial Peripheral Interface) para ser configurado, ou seja, a comunicação entre

o PIC e o rádio deverão utilizar esse protocolo.

15

Figura 3.2: Transceptor nRF24L01+.

O rádio usa modulação do tipo GFSK e possui parâmetros configuráveis como

canal de frequência, potência de sáıda e velocidade da taxa de transferência de dados.

Esta taxa pode ser configurada entre 250 Kbps, 1 Mbps e 2 Mbps. A velocidade da

taxa de transmissão dos dados combinada com dois modos de economia de energia

torna o nRF24L01+ muito adequado para projetos de ultra baixa potência.

Alguma das especificações do rádio estão listadas na tabela 3.2.

Tabela 3.2: Especificações técnicas nRF24L01+.

Banda de operação 2.4 GHz

Taxa de dados no ar 250 Kbps, 1 Mbps ou 2 Mbps

Consumo no modo “power down” 900 nA

Consumo no modo “standby-I” 26 uA

Alimentação 1.9 a 3.6 V

Potência de sáıda 0, -6, -12 ou -18 dBm

Em [10] pode-se encontrar muitas outras caracteŕısticas interessantes que o

nRF24L01+ possui. Uma outra tabela muito importante para esta aplicação, é

a que relaciona a potência de sáıda com o consumo do transceptor (tabela 3.3).

Através dela podemos selecionar a configuração que mais nos interessa dependendo

do objetivo, para este trabalho a de menor consumo foi a selecionada (-18 dBm).

16

Tabela 3.3: Especificações de consumo nRF24L01+.

Potência de Sáıda RF Consumo de corrente DC

0 dBm 11.3 mA

-6 dBm 9.0 mA

-12 dBm 7.5 mA

-18 dBm 7.0 mA

3.2.3 Arduino

Figura 3.3: Arduino Due

Até então, tem-se um PIC que será alimentada pelo sistema coletor de energia

vibracional, um sensor e um transceptor que serão ligados a ele. Estes dispositivos

constituem o módulo remoto que ficará enviando periodicamente informações do

sensor ao segundo módulo.

O módulo que ficará recebendo as informações enviadas pelo PIC funcionará como

uma base. Tal base será ligada a um computador que fica recebendo as informações

e decide como irá responder. O microcontrolador que será responsável por responder

à informação recebida não possui especificações restritas, ou seja, pode-se usar um

microcontrolador mais moderno e que possui alimentação direta pela USB podendo

estar inteiramente ligado ao computador.

17

O Arduino Due, figura 3.3, foi o escolhido para funcionar na estação base, algumas

das especificações podem ser encontradas na tabela 3.4.

Tabela 3.4: Especificações do Arduino Due.

Microcontrolador AT91SAM3X8E

Tensão de Operação 3.3 V

Tensão de Entrada(recomendada) 7-12 V

Pinos I/O Digitais 54

Memória Flash 512 Kb

SRAM 96 Kb

Velocidade do Clock 84 MHz

Com o Arduino ligado ao computador, tem-se a facilidade de usar a porta serial

para a depuração do código. Além disso, através da porta serial pode-se traduzir

as informações recebidas do sensor de forma que o problema seja mais facilmente

traduzido. Demonstrações da utilização do Arduino utilizando a porta serial serão

apresentadas na próxima seção.

3.3 Algoritmo Desenvolvido

3.3.1 Cenário

O cenário principal é o conjunto de dois ambientes, o ambiente da base e o remoto.

Chamamos de base a estação que estará monitorando as informações que a estação

remota enviará periodicamente.

Para melhor visualização, a ilustração da figura 3.4 mostra as principais carac-

teŕıstica e diferenças entre a estação base e a estação remota. Lembrando que a

estação Remota é inteiramente alimentada pelo dobrador, ao passo que a estação

Base pode ser alimentada por qualquer fonte de alimentação.

Para mostrar que é posśıvel construir uma rede de sensores, as tentativas neste tra-

balho se basearam em a estação Remota conseguir transmitir e receber informações

dentro do tempo em que há energia dispońıvel para ser utilizada no dobrador.

18

Figura 3.4: Estação remoto e estação base

3.3.2 Módulo Remoto e Módulo Base

Uma vez que há energia suficiente para alimentar o PIC, ele imediatamente vai

tratar de fazer as configurações iniciais necessárias para o ińıcio da operação. Quando

o dobrador estabiliza, a sáıda de 3.0 V atinge um valor próximo a este e aplica

ao circuito remoto, no mesmo instante o PIC começa o processamento. Não há

qualquer forma de verificação da alimentação no algoritmo gravado no PIC, da

mesma maneira que ele inicia quando sua alimentação atinge o valor necessário para

19

ele ligar, quando a alimentação do dobrador cai abaixo do valor necessário, ele é

desligado. Tudo acontece sem qualquer monitoração, a prinćıpio isto não apresentou

nenhum problema para a vida útil do PIC ou para atrapalhar o acontecimento das

etapas.

O PIC, no modelo 16F628A, já tem mecanismos internos para controlar sua ali-

mentação, como o brown-out reset ou o power-up delay. Nesta aplicação nenhum

deles foi usado, pois a alimentação é baixa e precisa-se de todo o tempo dispońıvel

para realizar a transmissão e recepção de informações.

Na estação Remota a operação começa quando há energia suficiente para alimentar

o PIC, a partir deste momento as etapas são as seguintes (figura 3.5):

1. O PIC lê a informação do sensor que está ligado nele.

2. O PIC transmite a informação lida do sensor para a estação base através do

rádio.

3. A estação base processa a informação recebida e se prepara para transmitir

um comando de volta para o remoto.

4. A estação base envia a informação para o remoto para que ele possa realizar

a tarefa correspondente à informação recebida.

Figura 3.5: Etapas de transmissão e recepção entre os módulos.

20

Pode-se dizer que a principal função da estação remota é enviar informações, ao

passo que a principal função da base é receber. Entretanto, é importante que a

comunicação seja bidirecional entre os módulos pois no caso de o sensor sinalizar

algum problema, a estação base envia algum comando que o PIC entenda para

tomar uma iniciativa com a intenção de resolver o problema. Para o PIC entender

a informação proveniente da base, percebe-se a necessidade de um protocolo de

comunicação personalizado entre os módulos. Na próxima seção o protocolo de

comunicação básico desenvolvido será apresentado.

3.3.3 Protocolo de Comunicação

Neste trabalho foi implementado um algoritmo imaginando dois sensores ligados

no PIC. Quando um dos sensores apresentar problema, um endereço espećıfico do

problema desse sensor é enviado para a base, quando os dois sensores não indicarem

qualquer problema um outro endereço será enviado.

A tabela 3.5 mostra o significado de cada endereço que é enviado e recebido pela

estação remota dependendo do problema de cada sensor ou da falta destes.

Tabela 3.5: Protocolo de comunicação.

Estado Remoto Envia Base Envia

Tudo Ok 0x01 0x01

Problema no sensor 1 0x02 0x02

Problema no sensor 2 0x03 0x03

Problema nos dois sensores 0x04 0x04

O sistema é simples e o funcionamento sequencial, por exemplo, quando o sensor 1

indicar problema, o PIC enviará um endereço (neste caso 0x02) que representará para

a base que o sensor 1 apresentou problema. Quando a base receber esse endereço, ela

terá um endereço espećıfico (neste caso 0x02) para enviar de volta para o remoto, que

significa um comando para que o PIC solucione o problema. O mesmo acontecerá

caso o sensor 2 apresente problema, caso os dois sensores apresentem problema, ou

21

caso nenhum deles apresente problema. Neste último caso, o endereço significará

apenas que tudo está operando como deveria.

O endereço que o remoto envia e o que ele recebe é igual neste trabalho por apenas

apenas simplificar a codificação. Em um algoritmo mais complexo, o sensor 1 poderia

indicar mais de um problema por exemplo, e mais endereços seriam exigidos para

indicar esse outros posśıveis problemas.

A primeira coisa que o código gravado no PIC faz é ler as informações destes dois

sensores, se os dois não estiverem apresentando sinais de problemas, ele enviará um

endereço que equivale a um estado de operação normal (neste caso 0x01). Caso ele

identifique um problema em um ou nos dois sensores, um endereço que signifique tal

condição será enviado para a estação base. Algo similar acontece na estação base,

dependendo da informação que ela recebe, ela escolhe o endereço para enviar de

volta para a estação remota. Quando a estação remota recebe o endereço de volta

da base e realiza a operação correspondente, todo o processo é reiniciado e se repete

enquanto ainda houver tempo e energia dispońıvel.

3.3.4 Problemas encontrados

Diversos problemas foram encontrados durante a implementação de um algoritmo

final. Aparentemente, estabelecer uma comunicação entre os dois módulos não de-

veria parecer uma solução dif́ıcil, porém além das restrições anteriormente apresen-

tadas, a necessidade de reconfigurar o transceptor todas as vezes durante os ciclos

de operação, ocupa a maior parte do tempo do processo de transmissão e recepção,

além de induzir um problema de sincronia entre os dois módulos.

Pode-se afirmar que o PIC é reiniciado toda vez que o conversor CC/CC ligado

ao dobrador aciona a alimentação de 3 V, a cada 128 ciclos do dobrador. Uma vez

que ele é desligado, todas as configurações são perdidas e tudo deve ser configu-

rado novamente no próximo ciclo. O problema é que as configurações referentes ao

transceptor ocupam alguns do milisegundos do tempo dispońıvel. No caṕıtulo 4,

serão mostradas com detalhes as figuras correspondentes ao tempo que leva para

configurar, enviar e receber dados.

22

Este tempo de configuração acontece no mı́nimo duas vezes a cada ciclo, pois o

PIC primeiro é configurado como transmissor e em seguida deve ser configurado

como receptor para receber a resposta da base.

Nos testes iniciais, estimou-se um tempo de 10 ms para o peŕıodo de alimentação

proveniente do dobrador e portanto para realizar uma comunicação completa. Cha-

mamos de estabelecer uma comunicação completa, realizar as operações contidas na

figura 3.5, ou seja, o PIC deve conseguir enviar informações e em seguida receber al-

guma resposta da base. Porém, também foi observado que o tempo de configuração

do PIC como transmissor ou receptor demorava cerca de 6 ms, tornando imposśıvel

a configuração como transmissor e depois como receptor em um mesmo ciclo. Se

apenas a configuração do transceptor ocupava 6 ms, toda a comunicação demoraria

no mı́nimo 12 ms o que já seria mais do que os 10 ms estimados inicialmente.

A primeira tentativa de solucionar este problema foi através da utilização de uma

memória não volátil. Dado que o PIC apenas conseguiria ou transmitir ou receber

informações a cada ciclo, seria necessário que ele inicialmente após enviar, guardasse

a informação de que no ciclo anterior ele havia enviado alguma informação e portanto

no próximo ele deve ser configurado como receptor para receber. O PIC 16F628A

possui uma EEPROM (memória não-volátil) com 128 bytes dispońıvel para escrita.

Diversas tentativas de solucionar o problema utilizando a EEPROM foram desen-

volvidas, todavia todas elas apresentaram um problema de sincronia aparentemente

sem solução simples.

Basicamente, nos algoritmos desenvolvidos utilizando a memória não volátil, o

PIC transmitia a primeira vez e em seguida escrevia na EEPROM um endereço que

significava que ele iniciou a comunicação e enviou alguma informação. O Arduino

que está na base receberia este endereço e entenderia que ele deve enviar alguma

informação de volta para o PIC. Quando o Arduino enviar esta informação, ele não

vai possuir nenhuma referência que indique que o PIC está ligado ou não, ou seja,

não vai ter qualquer garantia que indique que o Arduino enviou a informação e o

PIC recebeu. Mesmo que o Arduino continue a transmissão um certo número de

vezes para que ele tenha certeza que o PIC recebeu, quando o PIC de fato receber

23

ele imediatamente vai tratar de enviar uma nova informação, e se o Arduino estiver

ainda na configuração de transmissor ele não receberá esta informação. Múltiplos

problemas são encontrados se a alimentação do PIC só permitir que ele envie ou

receba em um único ciclo. Não haverá qualquer ind́ıcio de sincronia entre os dois

módulos e isso pode acarretar no travamento de todo o processo.

Por este motivo foi descartada a utilização da memória não volátil, não apresen-

tando qualquer vantagem no seu emprego. Contudo, se fez necessário modificar o

capacitor que controla o tempo do monoestável no circuito de controle do dobra-

dor, possibilitando que o PIC disponha de mais tempo para que uma comunicação

completa possa ser estabelecida a cada ciclo.

3.3.5 Algoritmo Final

Com uma maior flexibilidade do tempo para estabelecer uma comunicação com-

pleta, o código final se tornou mais simples do que se esperava. Foram utilizados dois

pinos do PIC para os sensores serem ligados, também foram acrescentados 3 LEDs

para indicar cada estado. Seguindo a tabela 3.5, caso o estado atual seja OK, um

determinado endereço será enviado e o LED correspondente será ligado. No caso do

estado indicar problema no sensor 1 ou 2, seus respectivos LEDs serão acionados e

quando o problema for resolvido, o LED correspondente ao estado OK será acionado

em seguida.

O algoritmo do PIC e do Arduino são similares, as funções de configuração são

idênticas e os dois possuem uma função chamada “Send Byte()” que implementa

o protocolo SPI por software. Apesar do Arduino ter biblioteca open-source para

trabalhar com o nRF24L01+ e ainda possuir um periférico SPI, optou-se por fazer

toda configuração manual para que os códigos nos dois módulos sejam parecidos

visto que o PIC não possui nenhuma dessas vantagens.

Para compilar o código do PIC foi utilizado a própria IDE da Microchip e também

seu compilador, são eles: MPLABX e XC8. Para o Arduino a própria IDE do

Arduino na versão 1.6.9 foi utilizada. O algoritmo desenvolvido tanto para o PIC

24

quanto para o Arduino estão respectivamente no Apêndice A e Apêndice B e foram

desenvolvidos em C.

Os algoritmos podem ser melhor entendidos se forem explicados de maneira se-

quencial, lembrando que a principal função do Remoto é transmitir e a da Base

receber. Por este motivo durante o loop a primeira coisa que o Remoto faz é ser

configurado como transmissor e em seguinda transmitir. Na Base o Arduino é con-

figurado inicialmente como Receptor e começa recebendo informações. A Base per-

manece sempre ligada e teoricamente nunca é reiniciada, já o Remoto é reiniciado

cada vez que a alimentação de 3 V é ligada, a cada 128 ciclos de operação do do-

brador. Deve-se ter uma atenção ao pino RB0(TX IRQ) do PIC. Este pino deve

ser configurado como sáıda no caso de um tranmissor e como entrada no caso de

estar no modo receptor. Quando um dado é recebido, uma interrupção é gerada

nesse pino para indicar que recebeu e após isso ele pode ler o endereço. Através da

figura 3.6, que é um trecho do código do PIC, e com os passos que o processo segue

numerados a seguir, o entendimento do algoritmo torna-se mais simples.

1. O Arduino está configurado como receptor.

2. O PIC é configurado como transmissor.

3. O PIC lê os pinos onde os sensores estão ligados.

4. Caso ele identifique problema no Sensor 1, um endereço equivalente a este

problema é enviado para a base e o LED correspondente deste sensor é ligado.

5. O Arduino recebe a informação e joga na porta serial do computador a tradu-

ção deste endereço.

6. Após o PIC enviar o endereço e ligar o LED, ele imediatamente se configura

como receptor.

7. O Arduino após escrever na porta serial do computador o problema, aguarda

o PIC se configurar como receptor antes de enviar, ou seja, ele espera cerca de

6 ms.

8. O PIC já está configurado como receptor e está aguardando informações da

Base.

25

9. O Arduino se configura como transmissor e em seguida transmite um endereço

correspondente a solução do problema.

10. O PIC recebe a informação do Arduino, que é um comando para que ele apague

o LED do problema no sensor 1.

11. O PIC apaga o LED do problema e acende o LED do estado “OK” que per-

manece assim por 2 ms e depois é apagado.

12. O Arduino se configura como receptor e volta para o ińıcio do loop

13. O PIC volta para o ińıcio do loop.

Todo o processo é análogo para o caso de problema no sensor 2, para o caso de

tudo estar operando normalmente e para o caso de os dois sensores apresentarem

problemas. No caso dos dois sensores sinalizarem problema, os dois LEDs serão

acesos e depois apagados ao receber o comando da base, em seguida o LED cor-

respondente ao estado normal será aceso. Neste algoritmo ainda ocorre problemas

de sincronia, um exemplo é o Arduino demorar a se reconfigurar como receptor e o

PIC já ter voltado para o ińıcio do loop. Neste caso o arduino quando terminar de

se configurar como receptor vai ficar aguardando um endereço do PIC (que por sua

vez já enviou) e o PIC depois que enviou vai entrar num loop aguardando o Arduino

enviar a informação de volta. Entretanto, o Arduino só envia alguma informação se

receber algo do PIC primeiro, isto quer dizer que os dois lados estarão esperando

receber alguma informação para partir pra próxima etapa causando um impasse no

processo. Apesar disto, se o PIC reiniciar, o que de fato ocorre a cada ciclo de ope-

ração, o processo volta a operar normalmente. Este problema foi observado apenas

algumas vezes durante os testes, porém caso o Arduino não receba em um ciclo, ele

receberá no próximo não causando nenhum problema na comunicação.

26

Figura 3.6: Trecho do código.

27

Caṕıtulo 4

Resultados Experimentais

No caṕıtulo 3 o cenário de desenvolvimento foi apresentado, assim como o obje-

tivo de se alcançar uma comunicação completa entre os dois módulos em que um

deles é alimentado pelo gerador eletrostático. Neste caṕıtulo, serão apresentados e

comentados diversos resultados interessantes obtidos durante os experimentos.

4.1 Resultados Práticos

Neste cenário de testes, um osciloscópio foi utilizado para visualização dos gráficos.

Para simular os sensores, foram utilizados dois botões. Ao pressionar os botões, é

como se os sensores estivessem indicando problemas, ao passo que, o estado de “OK”

é simulado quando nenhum dos botões está pressionado. Para simplificar:

1. Estado OK → Nenhum botão está pressionado → Indicado através de um

LED verde.

2. Problema no sensor 1→ Botão 1 pressionado→ Indicado através de um LED

vermelho

3. Problema no sensor 2 → Botão 2 pressionado → Indicado através de outro

LED verde.

Para o módulo remoto, foi criado uma placa experimental com todos os dis-

positivos necessários para a comunicação. As figuras 4.1 e 4.2 mostram os protótipos

utilizados.

28

Figura 4.1: Placa experimental para o módulo remoto.

Figura 4.2: Placa experimental e Gerador Eletróstático.

29

Para o módulo base, a ligação do transceptor foi feita diretamente ao Arduino,

como mostra a figura 4.3, que por sua vez está sendo alimentado através da porta

USB do computador.

Figura 4.3: Arduino e Transceptor.

De modo geral, todo o sistema funciona como deveria. Ao pressionar um botão,

seu respectivo LED acende, em seguida apaga quando recebe a informação da base

e o LED de estado OK é ligado na sequência. Para o estado de OK (nenhum botão

pressionado), o LED verde acende e também só se apaga quando recebe a instrução

da base.

Como descrito no caṕıtulo 3, toda vez que o base receber um sinal do remoto,

o Arduino escreverá na porta serial o significado do endereço recebido. Isto pode

ser verificado nas figuras 4.5, 4.4 e 4.6, no instante que os botões indicadores de

problemas foram pressionados por alguns segundos. Enquanto nenhum dos botões

estava pressionado, um sinal de OK é impresso na tela. No momento que o botão

30

é pressionado o respectivo sinal pode ser visualizado na tela e em seguida quando

largamos o botão, o estado de OK volta a aparecer.

Figura 4.4: Porta serial problema 2.

Figura 4.5: Porta serial problema 1.

31

Figura 4.6: Problemas em conjunto.

4.2 Resultados Teóricos

Para entender os resultados teóricos, deve-se levar em consideração algumas va-

riáveis importantes. Como foi dito no caṕıtulo 2, um contador é responsável por

acionar a carga a cada 128 acionamentos do conversor, isto corresponde a 3.5 ms

aproximadamente de espera entre cada ciclo de acionamento da carga como mostra

a figura 4.7. Além disso o capacitor ótimo que deve ser colocado em paralelo com a

entrada do circuito da figura 2.6, também mencionado no caṕıtulo 2, deve ser levado

em conta, pois caso não exista este capacitor o circuito não consegue entregar tanta

potência. Isto pode prejudicar o valor calculado para a sáıda do circuito, uma vez

que não consiga potência suficiente para entregar uma tensão de 3 V na sáıda do

regulador.

Outro ponto muito importante a ser avaliado, são os capacitores das figuras 4.8 e

4.9 que foram retiradas do circuito de controle original. O capacitor de 22 nF que

pode ser observado na figura 4.8 é responsável por controlar o tempo do monoes-

tável, ou seja, quanto maior for este capacitor mais tempo teremos dispońıvel para

transmitir e receber informações. Exemplos assim serão mostrados ao longo deste

caṕıtulo, porém é fácil de entender que quanto maior for o capacitor, mais energia

32

Figura 4.7: Acionamentos do remoto em vermelho e recarga da fonte de 3 V

em azul.

é acumulada e então mais tempo teremos dispońıvel até que ele descarregue.

Figura 4.8: Capacitor que controla o tempo do monoestável.

A figura 4.9 mostra a sáıda regulada de 3 V que alimenta todos os dispositivos da

estação remota. Na figura, dois capacitores de 100 uF em paralelo são responsáveis

por fazer o filtro da fonte de sáıda. Quando retira-se um capacitor e a sáıda fica com

100 uF de capacitância ao contrário dos 200 uF obtido com os dois capacitores em

33

Figura 4.9: Capacitor de sáıda.

paralelo, o consumo torna-se mais viśıvel quando observado no osciloscópio, visto

que deste modo a queda de tensão provocada pelo consumo será duas vezes mais

abrupta.

As figuras 4.10, 4.11 e 4.12 , referem-se às condições do circuito de controle:

• 100 uF na sáıda regulada de 3 V.

• Não possui capacitor ótimo ou qualquer capacitor em paralelo com a entrada.

• Capacitor do monoestável igual a 22 nF.

Na figura 4.10 a curva em azul é o LED verde indicador de estado OK e a curva

em vermelho é a sáıda regulada de 3 V, ou seja, alimentação de todo circuito da

estação remota. Neste caso, esperava-se que a sáıda ficasse regulada em 3 V. Entre-

tanto, observa-se na figura que a curva em vermelho encontra-se abaixo deste valor

estando em aproximadamente 2.8 V. Isto se deve a falta do capacitor em paralelo

com a entrada do circuito, o que causa uma entrega de potência menor do que a

posśıvel e tornando o sistema não confiável, já que alguns dos componentes pode-

riam não ligar com um valor abaixo do calculado. A alimentação está dispońıvel por

aproximadamente 16 ms até que ela desligue novamente. Espera-se que o LED vá

para ńıvel alto após a transmissão do PIC e que quando receba o comando da base

o LED vá para ńıvel baixo. De fato, podemos identificar isto na figura, enquanto

ainda há alimentação o LED passa um peŕıodo ligado e depois volta para ńıvel baixo.

34

Figura 4.10: LED em azul e sáıda regulada de 3 V em vermelho.

Para garantir que o sinal observado do LED está ligando e desligando no mo-

mento certo, deve-se observar a figura 4.11 onde a curva em vermelho indica o pino

RB5(TX CE) do PIC, a curva em azul é o LED e a verde a sáıda regulada de 3 V.

A idéia aqui fica mais clara se o código desenvolvido no Anexo A ou a figura 3.6

for analisado em conjunto. Quando o PIC inicia a execução do código, este pino

permanece em ńıvel baixo até que a função Transmit Data() chegue quase ao fim,

dado que a última coisa que ela faz é pulsar o pino por exatos 1 ms. Na figura é fácil

identificar este momento e ainda observar que o LED é ligado logo em seguida como

era de se esperar. O LED só deve desligar quando a base retornar com o respectivo

comando, neste caso, observar o pino RB5 não traz muita informação. Entretanto,

observamos que o LED apaga quase no fim da alimentação do dobrador e ainda que

há um consumo considerável neste final.

Observando o código, também sabe-se que o PIC só recebe algum comando da

base quando ocorre uma interrupção no pino RB0(TX IRQ) fazendo com que este

35

Figura 4.11: LED em azul, Pino CE do PIC em vermelho e sáıda regulada

de 3 V em verde.

vá para ńıvel baixo para ler a informação e retorne para o ńıvel alto em seguida.

Nas figuras anteriores, se considerado o ińıcio da alimentação como 0 ms, o LED

é apagado um pouco depois dos 15 ms. Na figura 4.12 a curva em azul é o pino

RB0 do PIC e a em vermelho a alimentação proveniente do dobrador. Em um dado

momento ocorre a interrupção no pino, e ele vai para ńıvel baixo, e então um pouco

depois dos 15 ms ele retorna para ńıvel alto, que é um momento imediatamente

anterior ao momento que o LED retorna a ńıvel zero. Pode-se dizer que isto dá

ind́ıcios de que o LED só é apagado depois que ele recebe a informação da base.

36

Figura 4.12: Pino RB0 do PIC em azul e sáıda regulada de 3 V em vermelho.

As figuras 4.13, 4.14 e 4.15, referem-se às condições do circuito de controle:

• 200 uF na sáıda regulada de 3 V.

• Foi colocado um capacitor de 220 pF em paralelo com a entrada do circuito,

sendo este não necessariamente ótimo.

• Capacitor do monoestável igual a 27 nF na figura 4.13 e 4.14 e igual a 47 nF

na 4.15.

Espera-se que com as descrições acima, a sáıda regulada de 3 V esteja acima dos

2.8 V dado que um capacitor em paralelo com a entrada foi colocado. As quedas

devido ao consumo na curva da alimentação sejam duas vezes mais suaves à vista do

capacitor na sáıda regulada ser duas vezes maior e que a alimentação perdure por

37

mais tempo visto que os capacitores do monoestável são maiores do que nos gráficos

anteriores.

Na figura 4.13 a curva azul é a sáıda regulada de 3 V e a vermelha um LED

identificador de problema. Primeiramente, com o capacitor de 27 nF o tempo de

alimentação que antes era de 16 ms, subiu para 19 ms. Ainda verificamos que a

alimentação está até um pouco acima dos 3 V e as transições da curva mais suaves

confirmando todas as previsões para este cenário. Nesta figura e na 4.14 o cenário

é um botão sendo pressionado, ou seja, um indicativo de problema será enviado

para a base. O LED na figura foi acionado e em algum momento desligado, como

dito anteriormente, ele liga imediamente após o PIC transmitir o sinal e desliga

imediatamente depois do PIC receber o comando da base.

Figura 4.13: Sáıda regulada de 3 V em azul e LED sinalizador de problema

em vermelho.

38

No código desenvolvido, logo após o PIC receber um comando da base no caso

de ter enviado um sinal de problema, ele deverá piscar o LED sinalizador de estado

OK por 2 ms. Existe um delay no algoritmo desenvolvido para garantir que o LED

ficará ligado por pelo menos 2 ms após apagar o LED sinalizador do problema. Na

figura 4.14, as curvas são as mesmas da figura anterior, com o acréscimo de uma

em verde que representa o LED referente ao estado OK. Este LED é aceso logo em

seguida do LED do problema ter apagado e permanece assim por 2 ms como era de

se esperar indicando que todo funcionamento está seguindo a sincronia desejada.

Figura 4.14: Sáıda regulada em azul, LED sinalizador de problema em ver-

melho e LED referente ao estado OK em verde.

Na figura 4.15 um capacitor de 47 nF foi colocado no monoestável, esperando

que este concedesse um maior tempo para que o PIC continue ligado executando as

tarefas de transmissão e recepção. No pino RB0 do PIC, como dito em figuras an-

teriores, ocorre uma interrupção toda vez que o PIC recebe alguma informação. Na

figura observa-se claramente que ocorrem duas interrupções durante o tempo em que

39

a alimentação está ligada, sendo este tempo de aproximadamente 32 ms com a troca

do capacitor. Como praticamente a última tarefa que o PIC realiza é receber uma

informação, duas comunicações completas foram efetuadas durante este intervalo.

No primeiro cenário experimental, o PIC realizava um comunicação completa em 16

ms e recebia praticamente no final do tempo dispońıvel de alimentação. Com um

tempo duas vezes maior ele conseguiu efetuar duas comunicações completas como

era de se esperar.

Figura 4.15: Pino RB0 do PIC em vermelho e sáıda regulada em azul.

Nas figuras 4.16, 4.17, 4.19, 4.20 e 4.21 as condições são idênticas às da figura 4.15.

Portanto espera-se observar um tempo de alimentação igual a aproximadamente 32

ms, além das outras condições observadas no cenário de testes anterior. Análises

mais detalhadas quanto ao consumo da estação remota serão avalidas nestas figuras.

Para uma melhor identificação dos momentos em que o PIC é configurado como

transmissor, o dado é transmitido, o PIC é configurado como receptor e o dado é

40

recebido, a figura 4.16 apresenta além da curva da sáıda regulada, um sinal continu-

amente pulsado que está ligado ao pino RB6(TX SCK) do PIC. Verificando o algo-

ritmo desenvolvido, nota-se que todas as vezes que um byte é enviado ou recebido,

este pino correspondente ao SCK da comunicação SPI entre o PIC e o transceptor

é pulsado. Anteriormente foi dito que após a função de configuração de transmis-

sor Transmitter Config() seguido da função de envio de dado Transmit Data() o

pino correspondente ao TX CE permanece ligado por 1 ms. Como não há envio

de byte durante este intervalo, por o circuito está realizando um delay, o pino SCK

também sofre este delay ficando desligado por exatos 1 ms como mostra o primeiro

espaçamento entre os pulsos na figura. Neste momento então, o dado foi enviado.


Em seguida, o PIC trata de chamar a função Receiver Config() para se con-

figurar como receptor e então espera a interrupção no pino RBO(TX IRQ). Este

segundo momento de espera também está claro na figura, indicando que o PIC está

configurado como receptor e está esperando informação da base. Nenhum byte é

41

enviado ou recebido neste momento, o que faz o pino TX SCK permanecer no seu

último estado. Após este momento, a função Read Payload() é chamada para que

o dado recebido seja lido. Como há byte para ser recebido o pino TX SCK volta

a pulsar e depois espera 2 ms que é o delay que possui no código para indicar fim

de uma comunicação completa entre os módulos. Lembre-se que nesta configuração

duas comunicações completas devem ocorrer dentro de um ciclo do dobrador, sendo

que a figura não mostra o final da segunda comunicação, basta verificar a escala.

Por isto após o terceiro espaçamento o pino TX SCK volta a pulsar, o que indica

que todo o processo recomeçou.

A figura 4.17 é só para indicar onde o pulso da interrupção ocorre. Para que,

comparando com a figura anterior, perceba-se o momento exato que ele recebeu. Ao

analisar o gráfico, este momento ocorre aproximadamente no meio da terceira reta, a

mais abrupta de todas, que se comparado a figura anterior, é imediatamente depois

de se receber o dado e então iniciar a sua leitura.


42

Um diagrama de tempo foi criado em uma situação de problema no sensor 1. A

figura 4.18 mostra todo o processo envolvendo os pinos anteriormente citados e os

LEDs acendendo em sincronia e no momento correto. A situação foi simulada com

o capacitor que controla o monoestável igual a 22nF onde é praticamente o tempo

exato para acontecer apenas uma comunicação completa. Os intervalos de tempo

são aproximados e podem ser vistos nas figuras anteriores em escala. Nos primeiros

6.5 ms são enviados 25 bytes da PIC para o rádio onde o último é o endereço que faz

parte do protocolo, ou seja, que indicará o estado dos sensores. Para configuração do

receptor, que demora 5 ms, são enviados 20 bytes da PIC para o rádio. O segundo

intervalo que o SCK fica parado em ńıvel baixo é o intervalo em que a PIC está

esperando a resposta do Arduino, este tempo é ligeiramente variável porém gira

em torno de 1 ms. Logo em seguida a PIC prepara o rádio para ler o byte que o

Arduino enviou como resposta, neste momento a PIC envia 1 byte para o rádio, lê o

byte recebido e depois envia 3 bytes para limpar o rádio e preparar para a próxima

configuração.

Figura 4.18: Diagrama de tempo quando há problema no sensor 1.

As figuras 4.19 e 4.20 também são comparativas. A primeira delas apenas mostra

o LED sinalizador de OK ser aceso duas vezes no estado de nenhum problema.

43

A segunda ilustra uma mudança no algoritmo desenvolvido. Em todas as figuras

anteriores, em qualquer cenário, é posśıvel observar uma queda mais acentuada na

terceira reta e ao final da comunicação na curva da sáıda do dobrador. A partir disto,

pode-se afirmar que o consumo é bem maior neste instante do que nos anteriores.

Como verificado na figura 4.16 este é o momento em que o PIC está configurado

como receptor, que por algum motivo, faz com que o consumo seja bem maior do que

na configuração de transmissor. Para tentar reduzir o tempo que o PIC permanece

neste estado, logo após ele receber um comando da base e ler o dado, antes de realizar

as tarefas referentes a este comando, ele volta a se configurar como transmissor para

que o consumo volte a ser reduzido. Como observado também no gráfico da figura

4.16, toda configuração demora alguns milisegundos para ocorrer. Enquanto o PIC

está voltando a configuração de transmissor, o LED ainda não foi apagado pois o

comando enviado pela base não foi executado ainda. Após a configuração como

transmissor ser efetuada, o PIC então realiza a operação de apagar o LED. De fato,

a reta de maior consumo permaneceu em queda por menos tempo.

Figura 4.19: LED sinalizador de OK em azul e sáıda regulada em vermelho.

44

Figura 4.20: LED sinalizador de OK em vermelho e sáıda regulada com menor

consumo em azul.

A situação correspondente à figura 4.21 é a de uma sinalização de problema onde

a curva em azul, em escala diferente das demais, representa a sáıda regulada. As

curvas vermelha e verde são LEDs (vermelho é problema 1 e verde é estado OK). A

configuração é a mesma das duas últimas figuras, na tentativa de reduzir o consumo

deixando o transceptor configurado como receptor menos tempo, e por consequência,

o LED do problema ligado por mais tempo. Ainda assim a sincronia é mantida com

o LED sinalizador de OK piscando em seguida.

Uma análise de consumo mais quantitativa será feita olhando para a figura 4.19. A

sáıda do regulador é composta por uma capacitância de 200 µF e esta sáıda alimenta

toda estação remota. Para medir o consumo médio, podemos considerar a queda de

tensão em cima de um capacitor de 200 µF através da equação 4.1.

45

Figura 4.21: LED sinalizador de problema em vermelho, de estado OK em

verde e sáıda regulada ampliada em azul.

i = C∆V

∆T(4.1)

Observando as três retas da figura, a primeira é referente ao consumo durante a

transmissão, a segunda durante a configuração como receptor e a terceira é referente

ao consumo enquanto receptor e lendo o dado. Os consumos de cada uma das estapas

são calculados a seguir:

• Primeira reta:

i = 200 µF · 300 mV6.5 ms

= 9.2 mA (4.2)

• Segunda reta:

i = 200 µF · 120 mV5.1 ms

= 4.7 mA (4.3)

• Terceira reta:

i = 200 µF · 400 mV4.1 ms

= 19.5 mA (4.4)

46

Analisando os resultados, a configuração como receptor consome mais de duas

vezes mais que a transmissão completa.

Através da figura 4.7 também pode se calcular quanto o dobrador fornece de

potência. No caso desta figura tinha-se 200 µF de capacitância na sáıda da fonte de

3 V e a tensão varia de 2.3 a 3.3 em 3.5s:

E = CV 2

2(4.5)

Onde E é a energia do capacitor, V a tensão e C a capacitância.

E1 = 200 µF ·2.32

2= 529 µJ (4.6)

E2 = 200 µF ·3.32

2= 1089 µJ (4.7)

P =(E2 − E1)

∆T(4.8)

Sendo P a potência fornecida pelo dobrador:

P =(1089 µJ− 529 µJ)

3.5 s= 160 µW (4.9)

Portanto, o gerador eletrostático na sáıda regulada de 3 V fornece um total de

160 µW de potência. Com esta potência duas operações acontecem, para o caso de

uma só, a potência seria por volta de 80 µW.

47

Caṕıtulo 5

Conclusão e Trabalhos Futuros

5.1 Conclusão

O projeto se concentrou em descobrir se há possibilidade de utilizar a energia do

gerador elestrostático para construir uma rede de sensores. Para isso, precisou-se

estudar se há energia e tempo suficientes para realizar uma comunicação satisfatória

com a base de controle.

Durante todos os testes, a energia fornecida pelo gerador eletrostático foi suficiente

para permitir uma comunicação completa do módulo remoto com a base. Verificou-

se também que o PIC consome muito mais na configuração de receptor do que na

de transmissor.

Apesar do primeiro teste ter sido feito com apenas 16 ms de alimentação do módulo

remoto, foi verificado que poderia se aumentar o capacitor que controla o tempo do

monoestável, até um certo limite, de maneira que permita milisegundos a mais para

realização da comunicação.

Muitos cenários de testes ainda podem ser desenvolvidos. A máquina de Wilson

pode ser usada no lugar do dobrador de Bennet para gerar maior potência, fazendo

com que dispositivos mais modernos possam ser utilizados. O maior problema visto

neste projeto, foi quanto a sincronia entre os módulos. Certamente, com uma rede

de sensores e mais microcontroladores fazendo parte do cenário, um protocolo de

comunicação deverá ser estudado para suprir a demanda da necessidade de sincro-

48

nia que haverá e a fim de especificar de qual sensor provém a informação recebida.

A partir deste projeto, foi posśıvel demonstrar que há possibilidade de realizar co-

municação sem fio, sem uso de bateria ou rede elétrica para controlar a transmissão

e recepção de informações sensoriais.

5.2 Trabalhos Futuros

Com o sucesso da comunicação entre os módulo remoto e a base, existem diversas

possibilidades de configurações a se testar. Muitas das ferramentas utilizadas, assim

como os dispositivos, podem ser trocados a fim de trazer mudanças significativas

para melhoria do projeto.

O compilador C utilizado foi bem simples e em versões básicas. Caso um compila-

dor superior a este seja utilizado, o código será muito melhor otimizado, permitindo

que a execução do algoritmo seja significativamente mais rápida. Ainda com relação

ao algoritmo, poderia se diminuir as configurações do receptor uma vez que parte

delas já foram realizadas na configuração de transmissor, assim o tempo certamente

também seria menor pois cada configuração demora cerca de 6 ms para completar.

No caṕıtulo 4 também foi demonstrado que trocando algumas tarefas de lugar tam-

bém é posśıvel reduzir o tempo em que o PIC fica configurado como receptor afim

de reduzir o consumo.

Sobre os dispositivos eletrônicos, versões mais modernas podem ser testadas para

garantir um protocolo de comunicação mais confiável. O transceptor nRF24L01+

dispõe de versões superiores que possuem controladores internos. Com isto poderia

se estudar se o PIC continuaria sendo necessária. Se o PIC continuar sendo um

microcontrolador indispensável, pode-se estudar a possibilidade de utilizar versões

com periféricos utéis, tais como SPI e também clocks internos superiores aos 4 Mhz

do modelo utilizado neste trabalho. A utilização de um módulo SPI interno econo-

mizaria algumas linhas de código, mas a eficiência da utilização deste periférico deve

ser avaliada. Não se pode esquecer que se ainda for utilizado o dobrador de Bennet

como gerador de energia, um capacitor ótimo deve ser calculado para garantir maior

entrega de potência.

49

Como visto, inúmeras possibilidades podem ser testadas e avaliadas. Certamente

com a possibilidade do uso da energia de geradores eletrostáticos autônomos, o

monitoramento de variáveis através de sensores pode ser excessivamente simplificado.

50

Bibliografia

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Variation of Bennet’s Doubler”, 53rd IEEE Midwest Symposium on Circuits

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[6] QUEIROZ, A. C. M., DOMINGUES, M., “The doubler of electricity used as

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pp. 787–801, 2011.

[7] QUEIROZ, A. C. M., “Analysis of the operation of a regenerative electrostatic

energy harvester”, Circuits and Systems (ISCAS) IEEE International Sympo-

sium on, pp. 1074–1077, 2015.

51

[8] QUEIROZ, A. C. M., “Energy harvesting using symmetrical electrostatic gene-

rators”, Circuits and Systems (ISCAS) IEEE International Symposium on, pp.

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[9] MICROCHIP, PIC16F627A/628A/648A Data Sheet, Report DS40044F, Mi-

crochip, 2007.

[10] NORDIC SEMICONDUCTOR, nRF24L01+ Product Specificationt, Report

Revision 1.0, Nordic, 2008.

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Apêndice A

Algoritmo PIC

/** File: remoto.c* Author: Mayli Silva de Souza** Created on Setembro de 2016*/#include #include #include // #pragma config statements should precede project file includes.// Use project enums instead of #define for ON and OFF.// CONFIG#pragma config FOSC = INTOSCIO // Oscillator Selection bits (INTOSC oscillator: I/O functionon RA6/OSC2/CLKOUT pin, I/O function on RA7/OSC1/CLKIN)#pragma config WDTE = OFF // Watchdog Timer Enable bit (WDT disabled)#pragma config PWRTE = OFF // Power-up Timer Enable bit (PWRT disabled)#pragma config MCLRE = OFF // RA5/MCLR/VPP Pin Function Select bit (RA5/MCLR/VPP pin function is digital input, MCLR internallytied to VDD)#pragma config BOREN = OFF // Brown-out Detect Enable bit (BOD disabled)#pragma config LVP = OFF // Low-Voltage Programming Enable bit (RB4/PGM pin has digital I/O function, HV on MCLR must be usedfor programming)#pragma config CPD = OFF // Data EE Memory Code Protection bit (Data memory code protection off)#pragma config CP = OFF // Flash Program Memory Code Protection bit (Code protection off)#define _XTAL_FREQ 4000000#define TX_MOSI PORTBbits.RB2 //Serial Slave Input.#define TX_MISO PORTBbits.RB7 //Serial Slave Output.#define TX_IRQ PORTBbits.RB0 //Interrupçao de saı́da. Ativo baixo#define TX_CE PORTBbits.RB5 //Chip Enable. Ativa modo TX ou RX#define TX_CSN PORTBbits.RB3 //Chip Select Not. Seleciona o chip zero#define TX_SCK PORTBbits.RB6 //SPI Clock.#define GREEN_LED_OK PORTAbits.RA6#define GREEN_LED PORTAbits.RA0#define RED_LED PORTBbits.RB4unsigned char payload;int flag_receive = 1;unsigned char data;void Send_Byte(char dado){

unsigned int bit_ctr;for(bit_ctr = 0;bit_ctr < 8;bit_ctr++){

if(dado & 0x80)TX_MOSI = 1;

elseTX_MOSI = 0;

dado = (dado CONFIG ; data -> PTX, power down, CRC Enable 1 byteSend_CmdData (0x24, 0x00); //cmd -> SETUP_RETR ; data-> auto retransmit offSend_CmdData (0x23, 0x03); //cmd -> SETUP_AW ; data -> address 5 byteSend_CmdData (0x26, 0x09); //cmd -> RF_SETUP ; data -> 2Mbps, -18dbmSend_CmdDa

rede de sensores alimentada por um sistema de coleta...

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