Este projeto foi desenvolvido como parte de um trabalho para Projeto de Sistemas Ubiquos na UFSC, para o controle eficiente da carga de baterias de chumbo-ácido ou de lítio, utilizando uma placa fotovoltaica de 20W. O sistema emprega uma metodologia de modulação de largura de pulso (PWM) controlada por um ESP32 para regular a tensão e a corrente fornecida pela placa solar, assegurando uma tensão estável na bateria. Os dados de carregamento são monitorados e transmitidos para um Broker MQTT, integrando-se ao projeto do Pluviômetro existente. Adicionalmente, um aplicativo móvel fornece acesso local aos dados através de uma API REST.
O projeto é dividido em várias etapas de desenvolvimento, com testes dedicados para cada componente, seguindo princípios de orientação a objetos. Esta documentação fornece uma visão detalhada da estrutura do projeto, descrições de hardware e software, além de instruções operacionais e de diagnóstico.
O sistema é projetado para operar em locais remotos, onde a estabilidade da conexão de internet pode ser intermitente. Portanto, ele armazena dados localmente e tenta transmitir informações retroativas quando uma conexão está disponível. A abordagem de design permite o acesso local aos dados do ESP32, que pode alternar entre modos cliente e servidor para facilitar a interação com o usuário por meio de um aplicativo móvel.
- Manter uma tensão estável de 12V na bateria, conforme especificações técnicas do fabricante.
- Monitorar e armazenar dados de corrente e tensão para análises de longo prazo.
- Permitir o acesso local aos dados via aplicativo móvel para monitoramento e controle.
- Transmitir dados acumulados para um sistema centralizado quando conectado à internet.
Continue lendo para uma visão detalhada da implementação do projeto, incluindo instruções de montagem de hardware, configuração de software, e operação do sistema.
FEITO COM PROTEUS 8.9
O coração do projeto Sunchaser é uma solução de hardware meticulosamente projetada para o controle eficiente de carga de baterias através de energia solar. Este sistema é construído com um conjunto de placas interconectadas, cada uma desenhada para executar funções específicas dentro do mecanismo de carga.
Importante frisar que todo o design foi realizado utilizando o Proteus 8.9. Versões mais recentes do Proteus podem abrir os arquivos do projeto, mas há uma incompatibilidade retroativa: projetos salvos em versões mais novas do software não poderão ser reabertos na versão 8.9. Esta informação é crucial para a manutenção e futuras iterações do projeto por outras equipes.
O design inicial foi acomodado na pasta Placa de Controle/Controle de Carga PWM/hardware proteus 8.9. Para superar desafios encontrados durante os testes, optou-se por uma abordagem modular, segmentando o hardware em diferentes funções:
- ESP com Sensores
- Controle PWM
- Controle da Carga
- Reguladores
Esta estruturação facilitou a identificação e solução de problemas, permitindo testes isolados e otimização de cada módulo.
Imagens e Descrições dos Circuitos
Abaixo, as imagens dos circuitos correspondem às seções descritas, proporcionando uma representação visual dos componentes e sua disposição.
O circuito do ESP e sensores constitui o núcleo de processamento e coleta de dados, onde o ESP32 opera como a unidade central, gerenciando tanto a comunicação quanto o processamento dos dados de sensores.
O circuito de controle PWM manipula a tensão fornecida pela placa fotovoltaica à bateria, utilizando um MOSFET de canal P para modular a carga com precisão, baseando-se nas leituras de tensão da bateria.
Esta parte do hardware gerencia a conectividade entre a bateria e a carga, assegurando que a transferência de energia seja feita de maneira eficaz e segura, pois o Relé é aberto caso a tensão da bateria seja muito baixa (o que danifica a vida uti dela) e caso a corrente seja alta demais para a bateria.
Os reguladores de tensão são componentes cruciais do projeto, desempenhando um papel vital ao fornecer tensões DC estáveis de 5V, 9V e 12V. Esta placa reguladora é uma unidade modular, projetada para ser flexível e potencialmente integrável em outros projetos. Recebendo uma tensão de entrada variando de 12 a 20V, os reguladores asseguram a estabilização nas saídas especificadas, proporcionando uma alimentação confiável e segura para todos os componentes eletrônicos do sistema.
- A presença de uma resistência interna na simulação da bateria é vital para o comportamento adequado das tensões no circuito. A ausência desta foi contornada com a implementação de um resistor em paralelo com a fonte de alimentação durante os testes.
- A utilização do ADC1 é obrigatória para leituras analógicas, pois o ADC2 se torna inoperante quando o Wi-Fi do ESP32 está ativado. Ademais, foi observado que a entrada de 5V em qualquer pino do ADC1 pode ocasionar leituras incorretas nos outros pinos. Para resolver isso, a tensão de pulldown da interrupção foi ajustada para 3.3V.
O projeto é configurado para ser altamente escalável e adaptável. Recomenda-se que futuras equipes expandam as capacidades do sistema, incorporando novas configurações e aprimorando as especificações técnicas, como as relacionadas à bateria, para atender a novas demandas ou melhorar a eficiência do controle de carga usando MPPT.
| Pino (Nome no Código) | Número do Pino | Arquivo de Declaração | Observações |
|---|---|---|---|
PWM_Pin |
16 | BatteryControl.h | Utilizado para controle PWM. |
S2_Pin |
26 | BatteryControl.h | - |
interrupt_pin |
33 | communicator.h | Não pode ser 5V para evitar problemas com ADC1. |
Battery_Voltage_Pin |
39 | Sensors.h | Pino de leitura de tensão da bateria, deve estar no ADC1. |
Solar_Voltage_Pin |
34 | Sensors.h | Pino de leitura de tensão do painel solar, deve estar no ADC1. |
INA219_Sensor1_SCL |
11 | Obrigatório | SCL do primeiro sensor INA219. |
INA219_Sensor1_SDA |
10 | Obrigatório | SDA do primeiro sensor INA219. |
INA219_Sensor2_SCL |
11 | Obrigatório | SCL do segundo sensor INA219. |
INA219_Sensor2_SDA |
10 | Obrigatório | SDA do segundo sensor INA219. |
Observações Gerais:
- Os pinos de leitura analógica devem estar no ADC1 devido ao uso do Wi-Fi, que interfere com o ADC2.
- O pino
interrupt_pinnão deve receber 5V para evitar conflitos com outras leituras no ADC1.
O código-fonte foi desenvolvido na Arduino IDE, uma plataforma de desenvolvimento que permite a escrita, compilação e upload de programas para placas compatíveis com Arduino, como o ESP32 utilizado neste projeto.
- Instale a última versão da Arduino IDE a partir do site oficial.
- Configure a Arduino IDE para suportar o ESP32 seguindo as instruções disponíveis na documentação do ESP32.
- Instale todas as bibliotecas necessárias mencionadas nos arquivos
package.jsoneyarn.locklocalizados na pastaApp Mobile/mobile.
Os programas de teste localizados em Programas ESP/Desenvolvimento são fundamentais para validar o funcionamento individual de cada componente do sistema. Cada subdiretório contém um exemplo de código que pode ser compilado e carregado separadamente para testar sensores, comunicação, controle PWM, entre outros.
A pasta Programas ESP/ProgramaFinal contém o código-fonte consolidado que será executado no ESP32. Inclui a integração das classes desenvolvidas, a lógica de controle PWM e a comunicação com o Broker MQTT.
O software do projeto é composto por várias classes, cada uma responsável por uma parte específica da lógica de controle e comunicação do sistema. Abaixo estão os arquivos principais e a descrição de suas responsabilidades e operações:
Classe BatteryControl
- Arquivos:
BatteryControl.cpp,BatteryControl.h - Responsabilidade: Controla o processo de carregamento da bateria ao modular a tensão fornecida pelo painel solar. Garante a manutenção da tensão da bateria nos níveis ideais para otimizar o carregamento e a vida útil da bateria.
- Métodos Principais:
PWM_init(): Inicializa a configuração do PWM.battery_loop(): Executa o loop principal de controle da bateria, ajustando o PWM conforme necessário.check_error(float error): Verifica e lida com erros no sistema de carregamento.stopCharging(): Interrompe o processo de carregamento da bateria.bulk_stage(),absorption_stage(),float_stage(): Gerenciam as diferentes fases do processo de carregamento.charging_control(): Controle lógico para a regulação do carregamento da bateria.load_connection(): Gerencia a conexão e desconexão da carga da bateria.changeDutyCycle(): Ajusta o ciclo de trabalho do PWM para regular a tensão.
Classe Sensors
- Arquivos:
Sensors.cpp,Sensors.h - Responsabilidade: Realiza a leitura da corrente e tensão da bateria e do painel solar.
- Métodos Principais:
INA_init(): Inicializa os sensores INA219.battery_current(),pv_current(): Retorna a corrente medida pela bateria e pelo sensor do painel solar.battery_voltage(),pv_voltage(): Retorna a tensão medida pela bateria e pelo sensor do painel solar.
Classe TimeConfigurations
- Arquivo:
TimeConfigurations.h - Responsabilidade: Armazena as configurações de tempo relacionadas ao intervalo de leitura, tamanho máximo do cache e memória de longo prazo.
Classe TimerInterrupt
-
Arquivos:
TimerInterrupt.cpp,TimerInterrupt.h -
Responsabilidade: Gerencia as interrupções do temporizador para realizar operações periódicas.
-
Métodos Principais:
timer_init(): Inicializa o timer.timer_interruption(): Método chamado em cada interrupção do temporizador.tryToSendCacheToServer(): Tenta enviar dados do cache para o servidor.
Classe SaveToFlash
Arquivos: SaveToFlash.cpp, SaveToFlash.h
Responsabilidade: Gerencia o armazenamento e recuperação de dados de leituras na memória flash.
Métodos Principais:
mountLittleFS(): Monta o sistema de arquivos LittleFS.saveToCache(),saveToLongTerm(): Salva as leituras no cache ou na memória de longo prazo.get_readings_from_cache(),get_readings_from_longterm(): Recupera leituras do cache ou da memória de longo prazo.
Classe Communicator
- Arquivos:
communicator.cpp,communicator.h,communicator_client_module.cpp,communicator_interruption_module.cpp,communicator_mqtt_module.cpp,communicator_server_module.cpp - Responsabilidade: Esta classe gerencia toda a comunicação do ESP32, atuando como um cliente para se conectar ao Broker MQTT, e como um servidor para interagir com o aplicativo móvel. A classe também gerencia a transição entre o modo de economia de energia e operação normal e lida com interrupções externas que podem sinalizar a necessidade de mudança no estado de operação.
init(): Configura os componentes necessários e inicia a conexão Wi-Fi.sleep(): Desativa o Wi-Fi para economizar energia.reconnect_client(): Reconecta o ESP32 à rede Wi-Fi e ao broker MQTT após o período de sono.attach_interruption(): Configura a interrupção externa que permite ao ESP32 alternar entre os modos cliente e servidor.check_interruption_flag(): Verifica se uma interrupção ocorreu, indicando que o estado de operação deve ser alterado.startServer(): Inicia o servidor HTTP para comunicação local com o aplicativo móvel.connectToMQTT(): Estabelece conexão com o Broker MQTT e gerencia a reconexão se necessário.handleClientRequests(): Processa as requisições recebidas quando o ESP32 está operando como servidor HTTP._setup_mqtt(): Configura o cliente MQTT com o servidor e porta corretos, e define a função de callback para mensagens recebidas._mqtt_loop(): Mantém a conexão MQTT ativa e processa qualquer mensagem recebida._wifi_ap_config(): Configura o ponto de acesso Wi-Fi quando o ESP32 está no modo servidor._stop_ap(): Desativa o ponto de acesso Wi-Fi e o servidor HTTP quando não são mais necessários.
- O método
sleep()é crítico para a conservação de energia, especialmente em ambientes remotos onde a energia é limitada. - O sistema de interrupção permite que o dispositivo mude dinamicamente entre os modos de operação sem a necessidade de reinicialização ou interação manual.
- A implementação do MQTT é robusta, com mecanismos de reconexão e callbacks para garantir a entrega de mensagens mesmo em condições de rede instáveis.
O ciclo de execução principal do programa é controlado pelo arquivo ProgramaFinal.ino, que coordena as operações das classes e gerencia o fluxo de controle do sistema. O arquivo contém a função setup() para inicialização e a função loop() para o ciclo de execução contínuo.
- Na função
setup(), o sistema inicia conectando-se à rede Wi-Fi e sincronizando o horário para garantir que os dados sejam timestamped corretamente. - Em seguida, os módulos de controle de carga e sensores são inicializados, preparando o sistema para começar o monitoramento e controle.
- A função
loop()entra em um ciclo onde:- A lógica de controle de carga é executada para ajustar o PWM e manter a tensão da bateria.
- As leituras dos sensores são feitas e armazenadas periodicamente no cache local.
- O sistema tenta enviar dados acumulados para o Broker MQTT e, em caso de sucesso, transfere esses dados para a memória de longo prazo.
- Se o switch de acesso local for ativado, o ESP32 muda para o modo servidor, permitindo que o aplicativo móvel se conecte e interaja com o sistema.
A comunicação com o ESP32 pode ser realizada através das seguintes APIs, disponíveis quando o ESP está em modo servidor:
| Operação | Rota | Query Params | Body | Retorno | Observações |
|---|---|---|---|---|---|
| GET | /cache | page: Numeric | - | JSON: Lista de leituras do cache, total de itens, itens por página (10) | Máximo de 10 itens por página |
| GET | /ltm | page: Numeric | - | JSON: Lista de leituras da memória, total de itens, itens por página (10) | Máximo de 10 itens por página |
| POST | /reading | - | - | JSON: Novas medições | - |
| POST | /settings | - | JSON: Novas configurações | - | O app verifica o sucesso pela resposta do status code |
| GET | /settings | - | - | JSON: Configurações atuais | - |
| GET | /check | - | - | String: "conectado!" | Utilizado para verificar a conexão com o ESP |
Durante o desenvolvimento, foram identificados e solucionados diversos desafios:
- Problema de Versão do Proteus: Limitação da versão 8.9 do Proteus para salvar e abrir arquivos sem perder a compatibilidade.
- Comportamento Inesperado de Tensões: Solucionado com a inclusão de uma resistência em paralelo à fonte de bancada.
- Limitações dos ADCs do ESP32: Ajustes nas leituras analógicas para evitar conflitos entre o ADC2 e o uso do Wi-Fi e erros causados por tensões altas nos pinos do ADC1.
Algumas sugestões para melhorias futuras incluem:
- Inclusão de novas configurações na classe de ajustes, como especificações técnicas variáveis da bateria.
- Aumento da robustez do sistema contra falhas de conectividade.
- Interface de usuário aprimorada no aplicativo móvel para facilitar a interação e o monitoramento.
Manter a documentação atualizada e criar testes para novas funcionalidades são essenciais para a manutenção contínua do projeto.
O projeto está organizado em diretórios que separam cada componente e fase de desenvolvimento, facilitando a navegação e compreensão do sistema como um todo. Abaixo está a árvore de arquivos com a descrição de cada diretório e arquivo-chave:
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.
├── App Mobile
│ └── mobile
│ ├── App.js
│ ├── app.json
│ ├── babel.config.js
│ ├── package.json
│ ├── src
│ │ ├── assets
│ │ │ ├── *.png
│ │ ├── components
│ │ │ └── components.js
│ │ ├── pages
│ │ │ ├── graph.js
│ │ │ ├── home.js
│ │ │ └── settings.js
│ │ └── routes
│ │ └── routes.js
│ └── yarn.lock
├── Documentação
│ ├── Cronograma/
│ ├── Diagramas/
│ ├── Planejamento/
│ ├── Relatorios/
│ └── Revisão de Lietratura/
├── logo/
├── Placa de Controle
│ ├── Controle de Carga PWM
│ │ ├── ESP32-Pinout.jpg
│ │ ├── hardware/ -> (Antigo)
│ │ ├── hardware proteus 8.9/ -> Placa Geral com tudo incluso
│ │ ├── hardware_sep_by_function
│ │ │ ├── controle_de_pot/
│ │ │ ├── controle_de_pot-PWM/
│ │ │ ├── controle_de_pot-SWITCH/
│ │ │ ├── esp_and_sensors/
│ │ │ └── reguladores_de_tensao/
│ │ ├── imagens dos circuitos/
│ │ ├── teste controle MOSFETs/
│ ├── Cuk Converter/ -> Testes do inicio do projeto usando o conversor cuk (Não é usado mais)
├── Programas ESP
│ ├── Desenvolvimento
│ │ ├── 1-CurrentSensorExample/
│ │ ├── 2-VoltageReadingExample/
│ │ ├── 3-Current_Voltage_reading/
│ │ ├── 4-PWMControlExample/
│ │ ├── 5-BatteryControl/
│ │ ├── 6-TimerInterrupt/
│ │ ├── 7-BLE_server/
│ │ ├── 8-LittleFS/
│ │ ├── ESP-GetTime/
│ │ ├── MainProject/
│ │ └── Wifi-Server_Client/
│ ├── ProgramaFinal
│ │ ├── BatteryControl.cpp
│ │ ├── BatteryControl.h
│ │ ├── communicator_client_module.cpp
│ │ ├── communicator.cpp
│ │ ├── communicator.h
│ │ ├── communicator_interruption_module.cpp
│ │ ├── communicator_mqtt_module.cpp
│ │ ├── communicator_server_module.cpp
│ │ ├── FinalProgram.md
│ │ ├── FinalProgram.xml
│ │ ├── ProgramaFinal.ino
│ │ ├── PubSubClient.cpp
│ │ ├── PubSubClient.h
│ │ ├── SaveToFlash.cpp
│ │ ├── SaveToFlash.h
│ │ ├── Sensors.cpp
│ │ ├── Sensors.h
│ │ ├── TimeConfigurations.h
│ │ ├── TimerInterrupt.cpp
│ │ └── TimerInterrupt.h
│ └── pubsubclient-master.zip
├── README.md
└── Referencias que o professor deu no inicio
├── *.pdf