Desenvolvimento de smart meter para uso residencial

Abstract

O acesso a informações detalhadas sobre o consumo de energia elétrica é um ins- trumento eficaz para a promoção da eficiência energética residencial. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um medidor inteligente (smart meter ) residencial monofásico de custo acessível e código aberto, baseado no microcontrolador ESP32 operando sob o sistema operacional de tempo real NuttX. As grandezas elétricas (tensão eficaz, corrente eficaz, potência ativa, potência reativa, potência aparente, fator de potência, frequência e energia acumulada) são adquiridas pelo sensor JSY-MK-194G via protocolo Modbus RTU sobre interface UART TTL. O firmware, desenvolvido integralmente sobre o NuttX, explora sua conformidade com o padrão POSIX para a implementação de drivers e da lógica de aplicação em tempo real, e incorpora o controle de seis relés via MQTT para o acionamento remoto de cargas elétricas. A transmissão dos dados ao servidor é realizada via Wi-Fi com protocolo MQTT. Para garantir a resiliência da comunicação, as medições são persistidas localmente em memória flash (SPIFFS) e retransmitidas automaticamente após a reconexão. Os dados são armazenados em uma infraestrutura local executada em Raspberry Pi com InfluxDB e visualizados em tempo real por meio do Grafana. O sistema é validado em instalação residencial real ao longo de 15 dias de operação contínua. A energia acumulada medida apresentou erro de +1,08% em relação ao medidor oficial da distribuidora. A disponibilidade da comunicação MQTT atingiu 97,25%.

Detailed access to residential electricity consumption data is an effective instrument for promoting energy efficiency. This work presents the development of an affordable, open-source single-phase residential smart meter based on the ESP32 microcontroller running the NuttX real-time operating system. Electrical quantities (RMS voltage, RMS current, active power, reactive power, apparent power, power factor, frequency, and accumulated energy) are acquired through the JSY-MK-194G sensor via Modbus RTU over a UART TTL interface. The firmware, developed entirely on NuttX, leverages its POSIX compliance for driver implementation and real-time application logic, and incorporates control of six relays via MQTT for remote switching of electrical loads. Data transmission to the server is performed over Wi-Fi using the MQTT protocol. To ensure communication resilience, measurements are buffered locally in SPIFFS flash memory and retransmitted automatically upon reconnection. Data are stored in a local infrastructure running on a Raspberry Pi with InfluxDB and visualized in real time through Grafana. The system is validated in a real residential installation over 15 days of continuous operation. Accumulated energy measurements showed an error of +1.08% relative to the utility company’s official meter. MQTT communication availability reached 97.25%.