Solução de Smart Meter Baseada em Portador de Linha Elétrica de Baixa Tensão

1. Fundamentação de Design e Posicionamento Central​

1. ​Fundo Técnico e de Mercado​
   Com o rápido desenvolvimento da tecnologia informática, microeletrónica e de comunicações, a tecnologia de transmissão por linha elétrica de baixa tensão (220V) atingiu maturidade e estabeleceu uma posição dominante no campo dos sistemas de leitura automática de contadores. Em contraste, as linhas elétricas de alta tensão, devido a múltiplos fatores de interferência e custos de implementação elevados, não conseguiram aplicações em larga escala semelhantes às fibras ópticas ou à comunicação por satélite.
2. ​Posicionamento do Sistema​
   O contador inteligente projetado nesta solução serve como a unidade subordinada central de um sistema multifuncional de leitura remota de contadores por linha elétrica de baixa tensão. Funciona em coordenação com concentradores de dados e sistemas de gestão de back-end, visando substituir a leitura manual de contadores em vários cenários, como usuários residenciais de baixa tensão, grandes consumidores (usuários-chave) e subestações, alcançando, finalmente, a total automatização e inteligência na gestão de energia.

​II. Design de Hardware do Contador Inteligente​

1. ​Arquitetura Geral de Hardware​
   O hardware do sistema é centrado numa unidade de processamento micro (MCU), integrada com módulos de suporte, como um watchdog, armazenamento de dados, detecção de corte de energia, conversão de energia, comunicação por portadora, unidade de exibição, controle de relés e alimentação do contador. Cada módulo colabora para garantir a operação estável e confiável do contador. (Consulte a Figura 1 no documento original para o diagrama estrutural.)
2. ​Detalhes dos Módulos de Hardware Chave​
   | Módulo de Hardware | Componente Núcleo / Especificação | Função Principal |
   |---------------------------|--------------------------------------|-------------------------------------------------------------------------------|
   | Unidade de Controle (MCU) | Microcontrolador AT89C2051 | Processa dados de medição (cálculo, armazenamento); responde a comandos do concentrador (upload de dados de energia, execução de ligar/desligar); controla a exibição. |
   | Circuito de Conversão de Energia | Chip integrado de alta precisão AD7755 | Converte a energia consumida pelo usuário (kW·h) em pulsos digitais processáveis pela MCU; uma característica central dos contadores eletrônicos. |
   | Módulo de Comunicação por Portadora | - | Conecta-se à linha elétrica através de um circuito de acoplamento; modula e demodula sinais digitais e analógicos para transmissão de dados bidirecional. |
   | Unidade de Exibição | - | Exibe consumo de energia, hora, períodos de uso (pico/plano/vale), tarifas, etc., impulsionado por software. |
   | Relé | - | Recebe comandos da MCU; permanece fechado durante a operação normal, executa desligamento em caso de não pagamento ou comandos remotos para gestão de energia. |
   | Armazenamento de Dados | Chip de armazenamento série 24CoX | Armazena dados críticos (por exemplo, consumo de energia) durante cortes de energia; suporta preservação de corte de energia, tempo de armazenamento longo e utiliza método de leitura/escrita I2C. |
   | Alimentação do Contador | - | Fornece energia estável a todos os circuitos de hardware, incluindo a MCU, módulo de comunicação e unidade de exibição. |
   | Detecção de Corte de Energia & Watchdog | - | Detecção de corte de energia: Monitoriza a tensão e dispara proteção de dados durante anormalidades; Watchdog: Previne travamentos de programa e permite reset automático do sistema. |
3. ​Princípio de Funcionamento do Contador​
   • ​Medição de Energia: O consumo de energia do usuário é convertido em pulsos digitais pelo chip AD7755. A MCU conta um número específico de pulsos como 1 kW·h com base em parâmetros pré-definidos e acumula e armazena-os de acordo com os períodos pico, plano e vale.
   • ​Interação de Dados: O concentrador de dados emite comandos de leitura de contador ou de controlo. O contador envia dados de energia armazenados via o módulo de portadora pela linha elétrica. Se receber um comando de desligamento, a MCU imediatamente controla o relé para executar a operação de desligamento.
   • ​Proteção de Exceções: O circuito de detecção de corte de energia notifica a MCU para transferir rapidamente dados críticos para o chip 24CoX quando são detectadas anomalias de energia. O módulo watchdog força um reset do sistema em caso de falhas de programa, garantindo a confiabilidade.

​III. Design de Software do Contador Inteligente​

1. ​Abordagem de Programação e Objetivos Centrais​
   Utiliza-se uma mistura de linguagem de montagem e C para programação, equilibrando a eficiência do programa e a flexibilidade de desenvolvimento. Os objetivos centrais são automatizar e inteligentizar as funções do contador, minimizando o uso de armazenamento da MCU.
2. ​Módulos Principais do Programa​
   • ​Módulo de Aquisição e Processamento de Dados: Coleta pulsos de energia, calcula o consumo total de energia do usuário e categoriza as estatísticas por período (pico/plano/vale).
   • ​Módulo de Interação de Comunicação: Permite comunicação bidirecional com o concentrador, incluindo sincronização de relógio, upload de dados de energia em tempo real/mensal e recebimento e execução de comandos de relé (por exemplo, controle de ligar/desligar).
   • ​Módulo de Proteção e Tratamento de Exceções: Integra watchdog de software, determinação confiável de ligação (prevenindo corrupção de dados), detecção de corte de energia e processamento de dados, trabalhando com hardware para garantir a estabilidade do sistema.
   • ​Módulo de Gestão de Períodos e Tarifas: Define regras de período para aplicações multi-tarifa, determina o período atual em tempo real e fornece uma base para medição diferenciada.
   • ​Módulo de Controle de Exibição: Dirige a unidade de exibição para mostrar consumo de energia, hora, tarifas e outras informações conforme necessário, garantindo visualização intuitiva de dados.
3. ​Fluxo Principal do Programa de Software​
   Após a inicialização do sistema, realiza-se uma "determinação de ligação confiável" → parâmetros são inicializados ou dados históricos são lidos com base no resultado da determinação → intervalos de tempo são definidos e o período de uso atual é determinado → verifica-se se é o dia de leitura do contador e os dados são preparados → detecta-se em tempo real o corte de energia e a proteção é acionada → detectam-se comandos de portadora e a comunicação é processada → os intervalos são redefinidos e o ciclo repete-se. (Consulte a Figura 2 no documento original para o fluxo detalhado.)

​IV. Sistema de Leitura Remota e Perspectivas de Aplicação​

1. ​Composição e Funções do Sistema​
   O sistema completo de leitura remota consiste em três partes:
   • ​Contador Inteligente: Responsável pela medição terminal e execução de comandos.
   • ​Concentrador de Dados: Responsável pela agregação de dados intermediária e distribuição de comandos.
   • ​Sistema de Gestão de Back-End: Responsável por estatísticas de dados, análise, cálculo de perdas de linha, alertas de exceção e geração de relatórios.
   A função central do sistema é alcançar a total automatização desde a coleta de energia → transmissão de dados → consultas estatísticas → análise de perdas de linha → alertas de exceção → geração de relatórios, substituindo completamente a leitura manual de contadores.
2. ​Vantagens e Perspectivas​
   Em comparação com soluções sem fio ou de linha dedicada, este sistema aproveita as linhas elétricas existentes, oferecendo custos de investimento baixos, facilidade de manutenção e grande potencial para adoção em larga escala. Estabelece uma base técnica sólida para que futuras comunidades inteligentes possam alcançar a "transmissão remota de três contadores" (energia, água, gás) e pode ser ainda mais integrado com sistemas bancários para dedução automática de tarifas de energia, aumentando significativamente a conveniência residencial.
3. ​Desafios Futuros​
   • ​Nível Técnico: Melhoria contínua nas taxas de recuperação de dados do contador (garantindo a transmissão bem-sucedida de dados) e otimização de algoritmos de relé para melhorar a estabilidade da comunicação em ambientes de linha elétrica complexos.
   • ​Nível de Aplicação: Adaptação às tendências de reforma energética, promovendo a integração mais profunda do sistema com funções avançadas de gestão, como regulação de carga e análise de economia de energia.