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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The main categories of electric mobility are elevators and electric vehicles. The
elevators are a reliable and convenient way of transport. The electric vehicles have been
gaining global interest in the last years due to their capacity to reduce GHG and to their
high efficiency. The electric bicycles are a convenient way of transport because they are
small, reduce traffic jams and improve the rider’s health.
The goal of the dissertation is to develop an embedded system capable of measure
voltage, current and power from the electric battery of an electric bicycle, send data to a
smartphone by Bluetooth, and from the smartphone to a computer using MQTT
network. The system had to be developed under the IEEE1451 Standard.
The methodology used was literature review of energymetters developed around the
world; study of IEEE1451 standards; design of the system based on sensors, actuators
and the communication between them and the processor; hardware development using
mbed microcontroller, INA260 sensor, HC05 Bluetooth module and a SD breakout
board; firmware development based on pooling, interruption, state machines and
TEDS; Smartphone app development based on Bluetooth and MQTT networks;
Management application development based on node connections using software
NodeRed; Finally tests performance and results analysis.
The system developed here may contribute to perform tests to verify the electric
consumption, current, voltage and power of eBike in different conditions such as
varying the cyclist mass, eBike mass, acceleration conditions, speed conditions, air
conditions, slope degree and routes. This may allow to discover the most economical
routes or trace the user profile. In this way, together with air pollution gas tracking and
Photovoltaic eBike charging, this project may contribute to urban mobility
sustainability and better quality of life. In comparison to the energy meters revised in
the literature, the system developed here is integrated with the eBike and has
lightweight. This makes the experiments easy to be conducted.
INTRODUÇÃO A introdução aborda o contexto do problema e motivação, os objetivos, metodologia e estrutura da dissertação. As principais categorias de mobilidade elétrica são elevadores e veículos elétricos. Os elevadores são uma forma de transporte confiável e conveniente. Já os veículos elétricos estão ganhando importância global pela sua capacidade de reduzir os gases responsáveis pelo efeito estufa e pela sua alta eficiência, mais alta do que carros a combustão, hidrogênio, etanol e biodiesel. O objetivo geral da dissertação é desenvolver um sistema embarcado capaz de medir tensão, corrente e potência de uma bateria de uma bicicleta elétrica, enviar os dados para um smartphone por Bluetooth, e do smartphone para um computador pela rede MQTT. O sistema deve ser desenvolvido de acordo com as normas IEEE1451. A metodologia usada foi uma revisão de literatura de medidores de energia desenvolvidos ao redor do mundo para depois serem comparados com o sistema desenvolvido aqui; estudo das normas IEEE1451 para entender como aplicar os princípios no desenvolvimento do sistema; projeto do sistema baseado em aquisição de dados de sensores, transferência de dados com atuadores e a comunicação entre eles e os processadores; desenvolvimento de hardware usando princípios de IoT e o microcontrolador mbed, o sensor INA260, o modulo de Bluetooth HC05 e uma breakout board SD; desenvolvimento de firmware baseado em pooling, interrupção, maquinas de estado e Data Sheet Eletrônicos dos Transdutores (TEDS); Desenvolvimento de aplicativo para smartphone baseado nas redes Bluetooth e MQTT; Desenvolvimento da Aplicação de Gerenciamento baseado na conexão de nos usando o software Node-Red; e Finalmente realização de testes e analise de resultados. MOBILIDADE ELÉTRICA Este capítulo aborda uma revisão teórica sobre veículos elétricos, bicicletas elétricas, medidores de energia e as normas IEEE1451. Existem diferentes configurações de veículos elétricos usando diferentes baterias, conversores de potência, motores elétricos e marchas. As baterias mais usadas em veículos elétricos são as de Lítio-Íon porque elas possuem uma alta capacidade de armazenamento, alta tensão, carga rápida e um longo ciclo de vida. As bicicletas elétricas são um meio de transporte conveniente porque são pequenas, podem reduzir o congestionamento de trânsito e podem melhorar a saúde do ciclista. As bicicletas elétricas podem ser classificadas em geral, por função, por recursos estruturais e por proposito a depender se tem assistência do pedal, se são tripuladas, os tipos de estruturas, número de rodas e onde são usadas. Os medidores de energia estudados na literatura foram publicados entre 2015 e 2019 e apresentaram testes em bicicletas que tem o motor elétrico mas também tem assistência do pedal. Os testes foram realizados principalmente na Europa e os parâmetros analisados foram elétricos, dinâmicos, ambientais. A IEEE1451 é uma família de 7 padrões para padronizar transdutores e permitir interoperabilidade. A IEEE1451 propõe a adição de TEDS para armazenar informações sobre os transdutores ao transdutor inteligente além da rede de comunicação, processor de aplicação, condicionamento de sinal, conversão de dados e transdutores presentes no transdutor básico. BICICLETA ELÉTRICA EQUIPADA COM UM MÓDULO DE INTERFACE DO TRANSDUTOR (TIM) Este capítulo aborda o projeto do sistema embarcado, o desenvolvimento de hardware e software e a fabricação da Placa de Circuito Impresso (PCB). O projeto do sistema foi feito através da modelagem dos componentes como canais de transdutores como propõem as normas IEEE1451. Os canais de transdutores são um transdutor e todos os componentes de condicionamento de sinal e conversão associados a ele. Os canais de transdutores utilizados foram Atuador Digital Embarcado, Sensor de Evento Digital Embarcado, Sensor de Entrada Analógico e Sensor Digital Embarcado. O desenvolvimento de hardware foi feito através do desenvolvimento de circuitos usando as interfaces I2C, serial e SPI. A PCB foi modelada e fabricada usando desenvolvimentos de esquemático e layout com o software Design Spark. O desenvolvimento de firmware foi feito em C usando o compilador online mbed. No programa, primeiro há a inclusão de bibliotecas, definição, configuração, declaração e inicialização de variáveis e funções. Depois numa função loop, há a leitura de comandos por Bluetooth e execução de uma das ações: acionamento do canal de transdutor, leitura de TEDS ou apagamento de arquivos. Por último há a implementação de máquina de estado de cada um dos canais de transdutores e funções de aquisição de dados de potência, tensão e corrente. APLICATIVO MOVEL DO PROCESSADOR DE APLICACAO DE REDE (NCAP) O aplicativo para smartphone foi desenvolvido em Java usando o software Android Studio. Há a troca de dados por Bluetooth entre o sistema e o smartphone, e a troca de dados por MQTT entre o smartphone e a internet. O desenvolvimento de Bluetooth foi feito através da pesquisa de dispositivos e conexão, enquanto que o desenvolvimento MQTT foi feito usando funções de publish e subscribe. APLICATIVO DE GESTÃO O aplicativo de gestão foi desenvolvido usando Flow Charts no software NodeRed. Os nós Button, MQTT out, MQTT in, inject, msg.payload, Split, delay e chart foram conectados para habilitar a conexão do aplicativo com o smartphone e gerar uma Interface. A interface do aplicativo fica disponível online e possui botões que ativam as funções do smartphone e do sistema. Os dados de texto são mostrados numa scrolling table e os parâmetros elétricos são mostrados em gráficos. SISTEMA FINAL Este capítulo explica o funcionamento final do sistema. O aplicativo de gestão manda comandos para um servidor na internet por MQTT. O servidor envia esses comandos para o smartphone por MQTT. O smartphone envia os comandos para o sistema acoplado a eBike por Bluetooth. O sistema acoplado a eBike realiza aquisição de dados de parâmetros elétricos e envia os dados para o smartphone por Bluetooth. O smartphone envia os dados para o servidor na internet por MQTT, e o servidor envia os dados para o aplicativo de gestão em um computador. TESTES DE VALIDAÇÃO Este capitulo apresenta a realização de testes e analise de resultados. Além dos testes de hardware, o sistema passou por 3 conjuntos de testes. No primeiro conjunto de testes houve a aquisição de dados de parâmetros elétricos de uma resistência de potência. O segundo conjunto de testes foram realizados através da medição de parâmetros elétricos de uma bateria de uma bicicleta elétrica com corrente aproximadamente constante. O terceiro conjunto de testes também foi feito na bicicleta elétrica mas com corrente variável. O sistema inteiro funcionou bem. A aquisição de dados pelo sistema teve a mesma tendência que os dados adquiridos por um osciloscópio. A transferência de dados entre o sistema, o smartphone e o aplicativo de gestão foi testado separadamente e o sistema respondeu aos comandos enviados pela interface. As TEDS foram recebidas e mostradas corretamente na scrolling table. Os parâmetros elétricos foram recebidos e mostrados nos gráficos corretamente. CONCLUSÕES O sistema desenvolvido pode contribuir para a realização de testes para verificar o consumo elétrico, corrente, tensão e potência de uma bicicleta elétrica submetida a diferentes condições como variação da massa do ciclista, massa da bicicleta elétrica, aceleração, velocidade, condições do ar, grau de inclinação e rotas. Isso pode permitir a descoberta das rotas mais econômicas e o perfil dos ciclistas. Desse modo, juntamente com o monitoramento da poluição do ar e carregamento por painéis fotovoltaicos, este projeto pode contribuir para a sustentabilidade da mobilidade urbana e melhor qualidade de vida. Em comparação com os energymetters revisados na literatura, o sistema desenvolvido nesse trabalho está integrado a bicicleta elétrica e tem pequeno peso, de modo que não interfere muito nas condições do ciclista. Assim, experimentos podem ser conduzidos de forma conveniente. Por outro lado, nos testes realizados nos sistemas estudados na literatura, o ciclista precisava carregar um laptop.
INTRODUÇÃO A introdução aborda o contexto do problema e motivação, os objetivos, metodologia e estrutura da dissertação. As principais categorias de mobilidade elétrica são elevadores e veículos elétricos. Os elevadores são uma forma de transporte confiável e conveniente. Já os veículos elétricos estão ganhando importância global pela sua capacidade de reduzir os gases responsáveis pelo efeito estufa e pela sua alta eficiência, mais alta do que carros a combustão, hidrogênio, etanol e biodiesel. O objetivo geral da dissertação é desenvolver um sistema embarcado capaz de medir tensão, corrente e potência de uma bateria de uma bicicleta elétrica, enviar os dados para um smartphone por Bluetooth, e do smartphone para um computador pela rede MQTT. O sistema deve ser desenvolvido de acordo com as normas IEEE1451. A metodologia usada foi uma revisão de literatura de medidores de energia desenvolvidos ao redor do mundo para depois serem comparados com o sistema desenvolvido aqui; estudo das normas IEEE1451 para entender como aplicar os princípios no desenvolvimento do sistema; projeto do sistema baseado em aquisição de dados de sensores, transferência de dados com atuadores e a comunicação entre eles e os processadores; desenvolvimento de hardware usando princípios de IoT e o microcontrolador mbed, o sensor INA260, o modulo de Bluetooth HC05 e uma breakout board SD; desenvolvimento de firmware baseado em pooling, interrupção, maquinas de estado e Data Sheet Eletrônicos dos Transdutores (TEDS); Desenvolvimento de aplicativo para smartphone baseado nas redes Bluetooth e MQTT; Desenvolvimento da Aplicação de Gerenciamento baseado na conexão de nos usando o software Node-Red; e Finalmente realização de testes e analise de resultados. MOBILIDADE ELÉTRICA Este capítulo aborda uma revisão teórica sobre veículos elétricos, bicicletas elétricas, medidores de energia e as normas IEEE1451. Existem diferentes configurações de veículos elétricos usando diferentes baterias, conversores de potência, motores elétricos e marchas. As baterias mais usadas em veículos elétricos são as de Lítio-Íon porque elas possuem uma alta capacidade de armazenamento, alta tensão, carga rápida e um longo ciclo de vida. As bicicletas elétricas são um meio de transporte conveniente porque são pequenas, podem reduzir o congestionamento de trânsito e podem melhorar a saúde do ciclista. As bicicletas elétricas podem ser classificadas em geral, por função, por recursos estruturais e por proposito a depender se tem assistência do pedal, se são tripuladas, os tipos de estruturas, número de rodas e onde são usadas. Os medidores de energia estudados na literatura foram publicados entre 2015 e 2019 e apresentaram testes em bicicletas que tem o motor elétrico mas também tem assistência do pedal. Os testes foram realizados principalmente na Europa e os parâmetros analisados foram elétricos, dinâmicos, ambientais. A IEEE1451 é uma família de 7 padrões para padronizar transdutores e permitir interoperabilidade. A IEEE1451 propõe a adição de TEDS para armazenar informações sobre os transdutores ao transdutor inteligente além da rede de comunicação, processor de aplicação, condicionamento de sinal, conversão de dados e transdutores presentes no transdutor básico. BICICLETA ELÉTRICA EQUIPADA COM UM MÓDULO DE INTERFACE DO TRANSDUTOR (TIM) Este capítulo aborda o projeto do sistema embarcado, o desenvolvimento de hardware e software e a fabricação da Placa de Circuito Impresso (PCB). O projeto do sistema foi feito através da modelagem dos componentes como canais de transdutores como propõem as normas IEEE1451. Os canais de transdutores são um transdutor e todos os componentes de condicionamento de sinal e conversão associados a ele. Os canais de transdutores utilizados foram Atuador Digital Embarcado, Sensor de Evento Digital Embarcado, Sensor de Entrada Analógico e Sensor Digital Embarcado. O desenvolvimento de hardware foi feito através do desenvolvimento de circuitos usando as interfaces I2C, serial e SPI. A PCB foi modelada e fabricada usando desenvolvimentos de esquemático e layout com o software Design Spark. O desenvolvimento de firmware foi feito em C usando o compilador online mbed. No programa, primeiro há a inclusão de bibliotecas, definição, configuração, declaração e inicialização de variáveis e funções. Depois numa função loop, há a leitura de comandos por Bluetooth e execução de uma das ações: acionamento do canal de transdutor, leitura de TEDS ou apagamento de arquivos. Por último há a implementação de máquina de estado de cada um dos canais de transdutores e funções de aquisição de dados de potência, tensão e corrente. APLICATIVO MOVEL DO PROCESSADOR DE APLICACAO DE REDE (NCAP) O aplicativo para smartphone foi desenvolvido em Java usando o software Android Studio. Há a troca de dados por Bluetooth entre o sistema e o smartphone, e a troca de dados por MQTT entre o smartphone e a internet. O desenvolvimento de Bluetooth foi feito através da pesquisa de dispositivos e conexão, enquanto que o desenvolvimento MQTT foi feito usando funções de publish e subscribe. APLICATIVO DE GESTÃO O aplicativo de gestão foi desenvolvido usando Flow Charts no software NodeRed. Os nós Button, MQTT out, MQTT in, inject, msg.payload, Split, delay e chart foram conectados para habilitar a conexão do aplicativo com o smartphone e gerar uma Interface. A interface do aplicativo fica disponível online e possui botões que ativam as funções do smartphone e do sistema. Os dados de texto são mostrados numa scrolling table e os parâmetros elétricos são mostrados em gráficos. SISTEMA FINAL Este capítulo explica o funcionamento final do sistema. O aplicativo de gestão manda comandos para um servidor na internet por MQTT. O servidor envia esses comandos para o smartphone por MQTT. O smartphone envia os comandos para o sistema acoplado a eBike por Bluetooth. O sistema acoplado a eBike realiza aquisição de dados de parâmetros elétricos e envia os dados para o smartphone por Bluetooth. O smartphone envia os dados para o servidor na internet por MQTT, e o servidor envia os dados para o aplicativo de gestão em um computador. TESTES DE VALIDAÇÃO Este capitulo apresenta a realização de testes e analise de resultados. Além dos testes de hardware, o sistema passou por 3 conjuntos de testes. No primeiro conjunto de testes houve a aquisição de dados de parâmetros elétricos de uma resistência de potência. O segundo conjunto de testes foram realizados através da medição de parâmetros elétricos de uma bateria de uma bicicleta elétrica com corrente aproximadamente constante. O terceiro conjunto de testes também foi feito na bicicleta elétrica mas com corrente variável. O sistema inteiro funcionou bem. A aquisição de dados pelo sistema teve a mesma tendência que os dados adquiridos por um osciloscópio. A transferência de dados entre o sistema, o smartphone e o aplicativo de gestão foi testado separadamente e o sistema respondeu aos comandos enviados pela interface. As TEDS foram recebidas e mostradas corretamente na scrolling table. Os parâmetros elétricos foram recebidos e mostrados nos gráficos corretamente. CONCLUSÕES O sistema desenvolvido pode contribuir para a realização de testes para verificar o consumo elétrico, corrente, tensão e potência de uma bicicleta elétrica submetida a diferentes condições como variação da massa do ciclista, massa da bicicleta elétrica, aceleração, velocidade, condições do ar, grau de inclinação e rotas. Isso pode permitir a descoberta das rotas mais econômicas e o perfil dos ciclistas. Desse modo, juntamente com o monitoramento da poluição do ar e carregamento por painéis fotovoltaicos, este projeto pode contribuir para a sustentabilidade da mobilidade urbana e melhor qualidade de vida. Em comparação com os energymetters revisados na literatura, o sistema desenvolvido nesse trabalho está integrado a bicicleta elétrica e tem pequeno peso, de modo que não interfere muito nas condições do ciclista. Assim, experimentos podem ser conduzidos de forma conveniente. Por outro lado, nos testes realizados nos sistemas estudados na literatura, o ciclista precisava carregar um laptop.
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Keywords
Bluetooth Electric Bicycles Electric Mobility Energy Meters Ieee1451 Mqtt