BRPI0208609B1 - sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável - Google Patents
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Abstract
método e sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável a presente invenção refere-se ao campo técnico dos sistemas de medição e controle de consumo de água. a presente invenção pode ser instalada em um medidor que forneça os meios e sinais necessários para sua interconexão. o sistema conforme a presente invenção cobre um dispositivo microcontrolador e, portanto, as ações que ele conduz podem ser modificadas segundo as necessidades de cada agência que fornece água potável. cada pulso emitido pelo medidor é verificado pelo sistema conforme a presente invenção; simultaneamente, um relógio de tempo real permite a medição da diferença de quadros de horários entre os pulsos para obter a velocidade de fluxo momentâneo real, a fim de aumentar, posteriormente, um dos contadores de volume que correspondem ao consumo registrado nas faixas de velocidade de fluxo momentâneo definidas previamente, as mesmas que, conjuntamente, compreenderão um histograma de velocidade de fluxo de consumo. o pulso verificado pela presente invenção aumenta, por sua vez, um contador de grupo, dependendo da hora do dia quando foi gerado, para compor um histograma de quadro de horários. as informações dos contadores residentes na memória podem ser lidas eletronicamente por meios com ou sem fio.
Description
Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se ao campo técnico de sistemas de medição e controle do fornecimento de água potável.
Antecedentes da Invenção [002] Geralmente, as agências governamentais e privadas responsáveis pelo fornecimento de água potável utilizam instrumentos mecânicos de medição para estabelecer a cobrança que fazem aos consumidores pelo serviço prestado. Como o desempenho da medição é reduzido quando seus componentes são desgastados, existem políticas de manutenção estabelecidas com base no volume total registrado ou no tempo decorrido desde a sua instalação.
[003] O desgaste do equipamento de medição é função não apenas do volume registrado e da qualidade da água, mas principalmente das taxas de fluxo momentâneo a que esse volume passa através do medidor. O desempenho não é apenas função da precisão do medidor, mas da proporção de volume que, segundo o padrão de consumo característico de cada consumidor, é medida com a precisão específica do dispositivo para cada taxa de fluxo momentâneo de consumo.
[004] A posse de um histograma das taxas de fluxo momentâneo de consumo real a que um medidor em serviço foi submetido permitiria a otimização da vida útil dos dispositivos de tal forma que seja reparado ou substituído no momento mais adequado e de forma econômica para a agência de operação, considerando o rendimento e os investimentos correspondentes. Também seria útil assegurar que as dimensões e a tecnologia do equipamento de medição estejam corretas.
[005] Por outro lado, um elemento importante a ser considerado no fornecimento de água potável é a distribuição da demanda ao longo do dia, pois a infra-estrutura e a operação são planejadas para permitir o oferecimento de bom serviço na hora de pico do dia de demanda de pico. Isso traz como conseqüência a sub-utilização da capacidade instalada durante a maior parte do ano e a necessidade de aumentar essa capacidade, com os mesmos critérios, e até registrar o crescimento demográfico ou da demanda.
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2/14 [006] Seria muito útil para a agência de operação conhecer os volumes de consumo registrados durante diferentes períodos do dia, de forma a, além de fornecer elementos para melhor planejamento da infra-estrutura e operação, permitir o estabelecimento de tarifas diferentes para diferentes horários de consumo, como ocorre com as companhias telefônicas e de energia elétrica. Isso poderia introduzir, através do preço, modificação da demanda, contribuindo para tornar a operação mais eficiente e aproveitar a infra-estrutura existente, chegando até o ponto de postergar investimentos.
[007] É bem conhecido o caso das companhias que prestam serviços de fornecimento de energia elétrica, que estabeleceram programas de incentivos e penalidades para seus maiores consumidores com o propósito de manter suas redes de distribuição com as dimensões ideais e sem incorrer em investimentos desnecessários. Os programas estabelecidos têm como objetivo distribuir a demanda, mantendo média adequada de consumo durante o dia, e assegurar que a energia transportada seja consumida eficientemente pelo consumidor.
[008] Normalmente, o consumo de energia elétrica necessário para a distribuição de água representa uma das principais despesas operativas das agências de operação e esta é normalmente considerada grande consumidora. É necessário, portanto, que as agências de operação de água controlem seu consumo de energia elétrica, tarefa esta que é difícil de ser estabelecida caso os consumidores apresentem comportamento de consumo durante o dia completamente diferente daquele que é mais conveniente para a agência. Para poder cobrar pelo serviço com tarifas baseadas em quadros de horários, seria útil, portanto, relacionar o consumo de água dos usuários com os quadros de horários que são mais convenientes para os operadores, do ponto de vista dos custos de energia.
[009] Outro elemento a ser considerado, com relação à capacidade de lucro das agências de operação, é a produtividade e a confiabilidade dos métodos empregados para a leitura do consumo dos usuários, que inicia o processo de cobrança e pagamento.
[0010] Foram desenvolvidas até o momento diversas tecnologias de leitura eletrônica, que são disponíveis no mercado e oferecem grandes benefícios; entretanto, para muitas agências de operação, a relação custo-benefício da sua implementação ainda não as justifica.
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3/14 [0011] Existe atualmente quantidade considerável de dispositivos que, no campo da técnica referido pela presente invenção, conduzem funções de leitura eletrônica do volume total consumido, mas elas oferecem poucas informações adicionais.
[0012] Um sistema de leitura eletrônica que, além de registrar o volume total consumido, forneça detalhes da taxa de fluxo momentâneo e seus quadros de horários resultaria em ferramenta muito útil para a obtenção dos benefícios mencionados acima.
[0013] Por outro lado, existe equipamento que permite a recuperação de dados para dimensionamento das redes de distribuição, obtenção de perfis de consumo e seleção de equipamento de medição, mas estes são utilizados de forma precisa, por zonas e durante curtos períodos de tempo que não poderiam mesmo ser representativos e, além disso, seu custo é muito alto.
[0014] A intenção de aplicar estas tecnologias de análise do comportamento de todos os consumidores exigiria, além de enormes investimentos, canais de transferência com alta amplitude de banda devido à grande quantidade de dados gerada, ou tempos de leitura muito longos e impraticáveis.
[0015] Um dos objetivos da presente invenção é oferecer um sistema de leitura eletrônica para pontos de entrada de água potável que forneça, além do volume total de consumo do usuário, perfis da taxa de fluxo momentâneo e dos períodos do dia em que isso ocorre, através de equipamento mecânico de medição, equipado com emissores de pulsos.
[0016] Outro objetivo da presente invenção é fornecer essas informações de forma compacta, de forma que permita transmissão rápida e prática, em um dispositivo que terá anos de autonomia e que é adequado até para condições adversas de instalação.
[0017] Um terceiro objetivo é fornecer às agências de operação de sistemas de água potável elementos para tornar sua atividade mais lucrativa, através de programas mais bem informados para manutenção de medições, melhor uso da capacidade instalada, distribuição eficiente do fornecimento ao longo de todo o dia e até para postergar investimentos.
[0018] Outro objetivo da presente invenção é fornecer ao operador informações que lhe permitam estimar, a partir de erros conhecidos inerentes à precisão dos medidores mecânicos para diferentes taxas de fluxo momentâneo, o volume de água que atualmente
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4/14 é considerado como perda física e até compensar a cobrança individual, inferindo a água fornecida e não medida.
[0019] Outro dos objetivos da presente invenção é fornecer ao operador meios que lhe permitam aplicar esquemas de tarifas que sejam mais criativos, orientados para o uso eficiente e sustentável da água potável.
[0020] O Sistema conforme a presente invenção cobre um dispositivo Microcontrolador que permite a modificação das ações conduzidas, segundo as exigências do mercado de necessidades especiais do operador.
[0021] A presente invenção pode ser instalada em um medidor que forneça os meios e sinais necessários para sua interconexão, que possui padrões de fato que muitos fabricantes adotaram. O fluxo de água é registrado pelo medidor que, a cada vez que registra certo volume, envia um sinal que é acoplado ao circuito do Sistema.
[0022] Cada pulso emitido pelo medidor é recebido pelo Sistema conforme a presente invenção e age como referência para medir o volume consumido e a diferença de tempo entre a ocorrência dos pulsos é utilizada para determinar a velocidade do fluxo. Quando ocorrer cada pulso, a presente invenção acorda de um estado de letargia em que permanece normalmente para otimizar o uso da fonte de energia e, portanto, estender sua autonomia ou vida útil. Para este caso, utilizamos, por exemplo, uma Unidade de Energia (BAT) (5) de lítio como fonte, pois ela oferecerá ao sistema vida útil que pode ser mais alta que a do medidor ao qual foi interconectada.
[0023] A presente invenção contém um grupo de contadores residentes em uma memória não volátil. Neste grupo de contadores, cada um representa o volume consumido em uma faixa de fluxo. Quando a presente invenção determina o tempo decorrido entre os dois últimos pulsos, ela computa a taxa de fluxo e selecionará em uma tabela de faixas qual contador de volume necessita aumentar. Com isso, é obtido um histograma de freqüências; este histograma exibe a quantidade de volume que foi consumida em cada intervalo previamente determinado de taxa de fluxo momentâneo.
[0024] Simultaneamente, um relógio de tempo real, que é um elemento contido na presente invenção, é utilizado para selecionar dentre outro grupo de contadores aquele que corresponde ao período do dia em que o pulso do medidor foi detectado. Com isso,
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5/14 obtemos um histograma de tempo de uso que indica a freqüência do volume consumido nos diferentes intervalos do quadro de horários designados a cada contador do grupo, estabelecidos anteriormente.
[0025] Como os medidores podem ser instalados na rua, para este caso, a instalação física da presente invenção seria conduzida neste mesmo ambiente. A presente invenção fornece, portanto, os meios para detectar vandalismo ou tentativas de fraude e registrálos na sua memória.
[0026] As informações armazenadas na memória da presente invenção podem ser acessadas através de um meio de comunicação em série (com ou sem fio) configurado por estes mesmos meios.
[0027] Com o propósito de ilustrar corretamente a presente invenção, estamos anexando ao presente as várias figuras descritivas que são descritas a seguir:
- Figura 1- Exibe, de forma geral, os blocos dos elementos principais da presente invenção,
- Figura 2 - Exibe em detalhes a Unidade de Interface para o Medidor (UIM) (2),
- Figura 3 - Exibe a Unidade de Proteção e Detecção de Energia (UBB) (6),
- Figura 4 - Faz referência a uma descrição simplificada da Unidade de Comunicação (UCO) (4),
- Figura 5 - Descreve a designação de sinais na Unidade de Controle (UDC),
- Figura 6 - Exibe um exemplo de criação instantânea de histogramas de consumo,
- Figura 7 - Exibe um exemplo da criação de histogramas de quadros de horários de consumo.
Descrição Detalhada da Invenção [0028] A presente invenção é exibida de forma geral na Figura 1. A conexão ao medidor de água (1) é conduzida através da Unidade de Interface para o Medidor (UIM) (2). Todos os circuitos da presente invenção estão contidos em um gabinete lacrado (7) que os protege da umidade ambiental, de possíveis imersões devido a inundações e de intrusos humanos indesejados.
[0029] A presente invenção é composta por uma Unidade de Controle (UDC) (3) que conduz medições e cálculos. As comunicações necessárias para a programação e leitura
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6/14 da configuração são conduzidas através da Unidade de Comunicações (UCO) (4) com o uso de um Terminal Portátil ou Computador Pessoal TP/PC (8). A presente invenção obtém sua energia de uma Unidade de Energia (BAT) (5) que é conectada à Unidade de Proteção e Detecção de Energia (UBB) (6) encarregada do monitoramento do nível de energia disponível para operar e evitar a inversão da polaridade na Unidade de Energia (BAT) (5).
[0030] A Unidade de Interface para o Medidor (UIM) (2) é exibida na Figura 2; sua função é de condicionar e filtrar os sinais provenientes do medidor (1), acoplado através de um cabo (9), para os filtros de baixa passagem (15) e (16) e então em linha direta para a Unidade de Controle (UDC) (3) (os sinais (10), (11) e (14) vão em linha direta para a unidade de Controle (UDC)). Os filtros de baixa passagem (15) e (16) eliminam possíveis ruídos e reverberações presentes nos sinais de fluxo provenientes do medidor.
[0031] A Unidade de Controle (UDC) (3) exibida na Figura 5 compreende um Microcontrolador (29) que contém uma memória não volátil (30) para armazenar parâmetros e um relógio de tempo real (31) que mantém base de tempo estável. A UDC acopla-se ao restante das unidades conforme a presente invenção através de sinais de entrada e de saída referentes a (29).
[0032] A Unidade de Comunicações (UCO) (4) exibida de forma geral na Figura 4 transforma as linhas de comunicação (23) e (24) em sinais que podem ser transmitidos para um dispositivo terminal externo (8), seja por meios com fios acoplados através dos sinais (25), pelo conversor (26) ou um canal sem fio através do conversor (27), que ao mesmo tempo acopla os sinais de e para o sistema através de uma antena (28).
[0033] A Unidade de Proteção e Detecção de Energia (UBB) (6) é exibida na Figura 3, compreende um diodo Shotky (18) que a conecta à Unidade de Energia (BAT) (5) por meio de um sinal (17) para o sinal de voltagem de alimentação conforme a presente invenção (19), bem como a um detetor de voltagem (22), utilizado para indicar o nível de uso da Unidade de Energia (BAT) (5) para a Unidade de Controle (UDC) (3) através dos sinais (20) e (21).
[0034] Conexão ao Medidor. A presente invenção permite a conexão de vários sinais com diversas configurações. Segundo um dos modos da presente invenção, foi exibida a
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7/14 configuração típica de sinais entre o medidor (1) e o Sistema conforme a presente invenção, que é ilustrado na Figura 2 por um cabo (9) que é, ao mesmo tempo, conectado à Unidade de Controle (UDC) (3) através de sinais elétricos, e no caso dos sinais de fluxo e de refluxo, através dos filtros de baixa passagem (15) e (16).
[0035] Por meio dos sinais fornecidos por (1), é possível controlar, através do sinal (10), a presença de corrente no gerador de pulsos de (1). O gerador de pulsos contido em (1) fornece informações suficientes para que a Unidade de Controle (UDC) (3) detecte corte no cabo por meio do sinal M_Corte (11). O medidor também gera pulsos para cada unidade de volume que flui através do sinal S_FLUJO, que, por sua vez, é filtrado por meio do filtro de baixa passagem (15) para eliminar ruídos que poderiam provocar falsas leituras em (3).
[0036] O sinal filtrado é adquirido pela Unidade de Controle (UDC) (3) através do sinal S_FLUJO (12). O detetor de violação magnética que se encontra em (1) é ativado com a presença de campo magnético intruso e é acoplado à Unidade de Controle (UDC) (3) por meio do sinal C_VIOLA (14). Como nível de segurança adicional, alguns medidores tais como (1) adicionam os meios para serem capazes de detectar o fluxo inverso através de um detetor de refluxo. O sinal S_REFLUJO também é filtrado por meio de (16). O sinal (13) ativará a Unidade de Controle (DC) (3) quando a direção do fluxo de água for do interior da instalação do consumidor para o serviço doméstico. Dependendo do critério do operador, esta situação pode indicar fraude ou a informação gerada pode ser utilizada para descontar do volume total consumido pelo usuário o volume que retornou para o operador.
[0037] A Unidade de Controle (UDC) (3) exibida em maiores detalhes na Figura 5 é mantida em estado de letargia que minimiza o consumo de energia. Para reduzir o consumo de energia da Unidade de Energia (BAT) (5) caso os detetores de fluxo, contrafluxo e violação sejam mantidos ativos, o sinal C_CTLU1M (10) desativa a voltagem de alimentação e coloca a Unidade de Controle (UDC) (3) em modo especial de operação, no qual ela monitora os sinais (12), (13) e (14) até que mostrem atividade novamente.
[0038] Recuperação e processamento de dados. Segundo a presente invenção, é possível conduzir processamento de informações para criar o que é identificado no
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8/14 presente pedido como Histograma de Taxa de fluxo e Histograma de Tempo de Uso. As duas entidades compreendem duas estruturas de dados independentes que residem na memória não volátil (30) e nas quais existe um grupo de registros que armazena os limites da classe de taxa de fluxo e intervalos de tempo de uso, que denominaremos intervalo de taxa de fluxo e intervalo de quadro de horários. Uma característica da presente invenção é que a agência de operação detém a possibilidade de programar os valores dos limites que correspondem aos intervalos de classe por meio de (8). Cada intervalo de classe dos dois histogramas possui um registro associado que opera como contador, no qual é armazenada a freqüência ou quantidade de eventos ocorridos dentro dos limites de cada intervalo.
[0039] Para cada histograma, existem n contadores de freqüências e n intervalos de classe que são restringidos por 2*n limites dos intervalos de classe. A quantidade n dependerá das capacidades da memória não volátil (30) do dispositivo Microcontrolador (29) utilizado. De forma similar, a quantidade de contadores de freqüências dos dois histogramas pode ser diferente.
[0040] Somente com propósitos de ilustração da operação conforme a presente invenção, é descrito um exemplo da implementação do Sistema no qual o histograma de taxa de fluxo será composto por dez intervalos de taxa de fluxo com os vinte limites de intervalos correspondentes. O histograma de uso do tempo será composto de seis intervalos de quadros de horários com três contadores de freqüências.
[0041] A recuperação e o processamento de dados são conduzidos quando o sinal (12) ativar o Microcontrolador (29) que se encontra em estado de letargia. Como simultaneamente o relógio de tempo real (31) contido em (29) fornece base de tempo, o Microcontrolador (29) pode medir a diferença de tempo entre o pulso que acabou de ocorrer no sinal (12) e o pulso imediatamente anterior ocorrido no mesmo sinal. Como a taxa de fluxo momentâneo (Q) pode ser expressa na forma de volume por unidade de tempo (Q = V/t) e como cada pulso representa uma unidade de volume conhecida, a diferença de tempo entre os pulsos permite inferir a taxa de fluxo momentânea do fluxo de água pelo medidor. O programa aplicativo que está sendo executado em (29) analisa o valor de tempo medido entre os pulsos, que denominaremos Tq, para observar a qual dos
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9/14 dez intervalos de taxa de fluxo ele corresponde. Isso é feito através da comparação de se o valor de Tq encontra-se dentro de cada um dos dez pares de limites correspondentes a cada intervalo. Após a determinação do intervalo a que corresponde, o contador de freqüências associado a esse intervalo é aumentado pelo programa aplicativo. Os contadores de freqüências compreenderão o histograma que representará o perfil de taxa de fluxo momentâneo do consumidor, no qual é exibido o volume consumido por esse usuário em cada intervalo de taxa de fluxo, bem como o volume total consumido, que pode ser computado através da condução da soma dos dez contadores de freqüências. Por meio de (8), o operador pode ler as informações dos dez contadores e processar essas informações nas suas instalações, de tal forma que o resultado dessa análise lhe permita conhecer o volume consumido pelo consumidor para realizar a cobrança, tomar decisões sobre possíveis compensações de erros na medição aplicáveis para aquela cobrança e determinar o desgaste sofrido pelo medidor (1).
[0042] Simultaneamente à geração do histograma de taxa de fluxo, o programa aplicativo em (29) obtém a hora do dia que é fornecida pelo relógio de tempo real (31) e analisa este valor para observar a qual dos três intervalos de quadros de horários do histograma de uso do tempo ele corresponde. Isso é feito através da comparação de se o valor da hora encontra-se dentro de cada um dos três pares de limites correspondentes a cada intervalo do quadro de horários. Após a determinação do intervalo, o programa aplicativo em (29) aumenta o contador de freqüência de uso do tempo associado a esse intervalo. [0043] A Figura 6 é uma ilustração da criação instantânea de histogramas de consumo; naquela figura, (32) representa uma fonte de consumo de água que, neste caso, corresponde a uma descarga de banheiro e (1) a um medidor de água, (33) identifica um gráfico de pulsos de comprimento diferente, gerado pelo medidor (1) e (34) designa uma expressão representada da seguinte forma:
Pulsos/At = X l/h [0044] (35) corresponde a um gráfico de percentual em volume contra taxa de fluxo, com este último contendo intervalos previamente determinados. O histograma de consumo é criado quando o medidor (1) gerar um pulso toda vez que um volume determinado de água passa através dele; conhecendo o tempo decorrido entre os pulsos, podemos
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10/14 estimar a taxa de fluxo momentâneo a que aquele volume foi consumido. O valor computado desta forma é comparado com os limites das faixas de taxa de fluxo momentâneo previamente estabelecidas, para aumentar o total associado à faixa correspondente.
[0045] No exemplo da Figura 6, se X for maior que 30, mas menor ou igual a 60, isso significa que a taxa de fluxo deverá estar entre os intervalos de 30 a 60, portanto, conforme exibido no gráfico (35), ela está neste intervalo em que é adicionado o volume consumido correspondente.
[0046] Segundo a Figura 7, temos um exemplo de criação de histogramas de quadros de horários de consumo; bem como na Figura 6, (32) representa uma fonte de consumo de água que, neste caso, corresponde a uma descarga de banheiro e (1) a um medidor de água, (36) identifica um gráfico de pulsos gerados pelo medidor (1) em momentos diferentes do dia, (37) corresponde a uma expressão que é lida como pulso às X horas) e (38) exibe um gráfico de percentual em volume contra o tempo. O histograma de quadro de horários de consumo é criado quando o medidor (1) gera um pulso toda vez que um volume determinado de água passa através dele; conhecendo a hora do dia em que é registrado, ela é comparada com os limites das faixas de quadro de horários previamente estabelecidas para aumentar o total associado à faixa correspondente, independentemente da taxa de fluxo momentânea a que foi consumido. Se, no caso anterior, por exemplo, X for maior que 2h00, mas menor ou igual a 3h00, o totalizador associado a este intervalo aumentará, conforme exibido no gráfico (38).
[0047] A ação anterior nos permite obter um histograma de tempo de uso no qual os intervalos de classe representam os quadros de horários e a freqüência ou valor de cada contador representa o volume consumido nessa faixa de quadro de horários. Da mesma forma que com o histograma de taxa de fluxo momentâneo, os três contadores podem ser acessados por (8) para conduzir cobrança de quadro de horários que permite ao operador fazer uso mais eficiente dos seus recursos através da aplicação de tarifas associadas a cada intervalo de quadro de horários que promovam ou desencorajem o consumo nesses intervalos de quadros de horários.
[0048] Segundo outro aspecto do sistema conforme a presente invenção, a ocorrência do
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11/14 sinal (13) que indica fluxo inverso no medidor (1) pode ser utilizada para gerar uma estrutura de tipo de histograma de dados, similar à descrita anteriormente, ou aumentar um único contador residente em (30) que pode ser lido por (8) para penalizar ou compensar posteriormente o consumidor, dependendo das políticas administrativas do operador.
[0049] Como foi mencionado, cada vez que um pulso está presente nos sinais (12) e (13), o Microcontrolador (29) na Unidade de Controle (UDC) (3) é ativado e conduz os processos descritos. O propósito de manter desligado o Microcontrolador (29) é manter baixo consumo de energia, pois as ações são conduzidas por (29) em período muito curto, mantendo a corrente média gasta pela Unidade de Energia (BAT) (5) em nível de um milionésimo de ampère. O baixo consumo de energia é otimizado ainda mais através da seleção do Microcontrolador (29) correto. Para o caso da presente invenção, ele pode ser implementado através do uso de Microchip Tecnologia PIC16LC558, mas podem ser utilizados outros dispositivos, tais como o MSP430-112 da Texas Instruments. A maior parte destes dispositivos é excitada com cristais de freqüência muito baixa, tais como 32.768 Hz, que mantêm a corrente de operação em níveis muito baixos e base de tempo precisa.
[0050] Dependendo das características do Microcontrolador (29) utilizado, a medição do tempo decorrido pode ser conduzida pelo mesmo Microcontrolador (29) de forma interna, estabelecendo com código o que é conhecido como Relógio de Tempo Real (31). O propósito deste elemento é manter simultaneamente uma base de tempo que permita conduzir as medições da taxa de fluxo e manter um relógio que exiba a hora do dia para a medição do quadro de horários. A programação do Relógio de Tempo Real (31) pode ser conduzida com eletrônica externa a (29), utilizando componentes tais como o PCF8583P da Phillips.
[0051] É importante mencionar que a explicação da função da presente invenção limitouse unicamente a um tipo de aplicação para ilustrar sua operação, mas a natureza programável dos Microcontroladores tais como (29) permite que o Sistema opere com diferentes comportamentos e ajuste-se até no campo às necessidades do mercado, agência de operação ou indivíduos.
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12/14 [0052] Detecção de Baixo Nível de Energia. A Unidade de Controle (UDC) (3) pode conhecer o nível de energia disponível na Unidade de Energia (BAT) (5) por meio da baixa Unidade de Proteção e Detecção de Energia (UBB) (6). O circuito exibido na Figura 3 obtém a voltagem da Unidade de Energia (BAT) (5) presente no sinal VCC (19) por meio de um diodo Shotky (18), utilizado para proteger o sistema contra inversão de polaridade. A voltagem típica de aplicação é de 3 Volts, razão pela qual é utilizada uma Unidade de Energia de Lítio (5) (BAT) de 3,6 V com capacidade de 2,1 ampéres-hora.
[0053] Para implementar a presente invenção, a quantidade de energia armazenada na Unidade de Energia (BAT) (5) é suficiente para manter todo o sistema em operação pelo tempo médio de seis anos. Entretanto, a bateria pode ser facilmente substituída depois de gasta.
[0054] O Microcontrolador (29) ativa o sinal C_LOWB (21) colocando nível de zero lógico toda vez que o programa aplicativo residente na ROM assim o decidir. A ação anterior liga o detetor de voltagem (22), que compara internamente o valor do sinal VCC (18) com uma referência interna. Caso o nível de voltagem detectado seja de menos de 2,7 V, o sinal M_LOWB (20) mudará de estado, indicando para a Unidade de Controle (UDC) que a vida útil da Unidade de Energia (BAT) (5) terminou. O detetor da Unidade de Energia (BAT) (5) baixa que pode ser utilizado para a presente invenção é MN-13811-G 25 da Panasonic.
[0055] As etapas a serem seguidas após a detecção de Unidade de Energia (BAT) (5) baixa são determinadas no programa aplicativo, mas deverão incluir atualização de registro armazenado na memória não volátil (30), que pode conter outros eventos acidentais, tais como violação magnética detectada pelo sinal (14) ou corte do cabo de interconexão para o medidor (1) por meio do sinal (11).
[0056] As informações neste registro podem ser acessadas por meio da Unidade de Comunicação (UCO) (4).
[0057] Leitura e Configuração. A agência de operação utiliza a Unidade de Comunicações (UCO) (4) como meio para transferir informações entre a presente invenção e um Terminal Portátil ou Computador Pessoal TP/PC (8). As informações são transferidas através de um protocolo de comunicação seguro e podem ser conduzidas por
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13/14 fio, conectando uma porta serial RS-232C ao conector (25) exibido na Figura 4.
[0058] Os sinais de comunicação presentes em (25) são adaptados até o nível da voltagem que a Unidade de Controle (UDC) (3) pode administrar. A ação anterior é conduzida por meio do conversor (26) que foi implementado através da utilização de um semicondutor que pode ser o DS275 da Dallas Semiconductor. O circuito embutido (26) utiliza a energia disponível nos sinais presentes em (25) para conduzir a conversão, de tal forma que a energia necessária para a comunicação serial seja tomada do Terminal Portátil ou Computador Pessoal TP/PC (8).
[0059] Além disso, a comunicação pode ser conduzida sem a necessidade de fazer contato físico, utilizando um Terminal Portátil ou Computador Pessoal TP/PC (8) com um transmissor-receptor indutivo. Se este for o caso, a comunicação é conduzida por meio da antena (28) e os sinais são adaptados e condicionados por meio do conversor indutivo (27). A comunicação sem fio é conduzida através da modulação dos sinais de dados com um sinal de alta freqüência que é acoplado à antena composta por uma bobina (28). Para a presente invenção, pode ser utilizado um módulo fornecido pela Fusion Meter Ltd. Company ou Hexagram Inc.
[0060] Outro método de comunicação pode estar transmitindo sinais de dados através de rádio freqüência ou modem telefônico. Para estes tipos de esquemas, podem ser utilizados módulos integrados de rádio, tais como TR1000 da RF Monolithics Inc. Company; este opera na faixa de 900 MHz com níveis de energia suficientes para faixas de distância de cerca de cem metros.
[0061] Através de qualquer dos meios de comunicação utilizados, mudança do estado de sinal M_RXD (24) é detectada pelo Microcontrolador (29) na Unidade de Controle (UDC) (3). Caso o Microcontrolador (29) esteja dormente, ele acorda e começará a receber as informações do dispositivo externo.
[0062] A transferência de informações é regida por uma senha que verifica a validade do acesso. Isso é necessário para evitar possíveis acessos não autorizados. Após a detecção de acesso válido, o programa aplicativo residente no Terminal Portátil ou Computador Pessoal TP/PC (8) pode acessar a memória do Microcontrolador (29) para ler e escrever seu conteúdo. Por meio de leitura, o Terminal Portátil ou Computador Pessoal TP/PC (8)
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14/14 pode transferir o conteúdo dos registros de conta ou histogramas que contêm informações sobre o volume consumido pelo usuário e o perfil de taxas de fluxo e quadros de horários. De forma similar, a agência de operação detém acesso às informações sobre a situação do Sistema. Estas informações podem exibir níveis de refluxo, tentativas de violação magnética, cortes no cabo do sensor (9) e interconexão para o medidor (1). As informações armazenadas na memória não volátil (30) são convertidas em formato serial e transferidas por meio do sinal C_TXD (23) que pode ser de transmissão indutiva, rádio freqüência ou qualquer outro método de transmissão sem fio, conforme o caso.
[0063] Por outro lado, a agência de operação pode configurar ou programar a operação da presente invenção, transferindo novos valores para a memória não volátil (30). Os novos valores regerão o comportamento do programa aplicativo residente na ROM do Microcontrolador (29) e os valores de intervalos de classe de taxas de fluxo e quadros de horários ou início de operação do Relógio de Tempo Real (31) podem ser níveis, apenas para mencionar alguns deles.
[0064] A presente invenção fornece, portanto, um Sistema para leitura de forma eletrônica das informações de cobrança e estatísticas geradas pelo medidor de água (1) através do uso dos meios de comunicação disponíveis.
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Claims (5)
1. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos, caracterizado pelo fato de que compreende: uma Unidade de Interface para o Medidor (UIM) (2) conectada a um Medidor de Água (1) que condiciona e filtra os sinais do medidor, uma Unidade de Controle (UDC) (3) que conduz medições e cálculos; uma Unidade de Comunicações (UCO) (4) acoplada à Unidade de Controle (UDC) (3) que conduz as comunicações necessárias para a configuração, programação e leitura das informações através do uso do terminal portátil ou computador (8); uma Unidade de Energia (BAT) (5) que fornece a energia necessária para a operação do sistema conectada a uma Unidade de Proteção e Detecção de Energia (UBB) (6), encarregada do monitoramento do nível de energia disponível para operação e evitar inversões de polaridade da Unidade de Energia (BAT) (5) e um gabinete lacrado (7), no qual estão contidos todos os circuitos do sistema, que o protege contra a umidade ambiental, possíveis imersões devido a inundações e intrusos humanos indesejados.
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Reivindicações
2/5 (31) que mantém base de tempo estável; a Unidade de Controle (UDC) (3) é acoplada ao restante das unidades do Sistema por meio de sinais de entrada e saída com relação ao Microcontrolador (29).
2. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a Unidade de Interface para o Medidor (UIM) (2) condiciona e filtra os sinais vindos do medidor (1), de detectores de fluxo e refluxo de água, bem como de violação do Sistema; um cabo em linha reta em direção à Unidade de Controle (UDC) (3) que condiciona e filtra os sinais do medidor (1) acoplado por meio dos sinais C_TLUM, M_CORTE e C_VIOLAC; alguns filtros de baixa passagem (15) e (16), através dos quais são eliminados possíveis ruídos e repercussões presentes nos sinais de fluxo e refluxo do medidor (1).
3/5 (29) fornece base de tempo, o Microcontrolador (29) mede a diferença de tempo entre o pulso que acabou de ocorrer no sinal (12) e o pulso imediatamente anterior ocorrido no mesmo sinal, o programa aplicativo que está sendo executado em (29) analisa o valor de tempo medido entre os pulsos Tq para determinar a qual dos intervalos de taxa de fluxo ele corresponde; isso é realizado através de comparação de se o valor de Tq encontra-se dentro dos pares de limites correspondentes a cada intervalo, o que é conduzido através da comparação de se o valor de Tq encontra-se dentro de cada um dos pares de limites que correspondem a cada intervalo, após a determinação desse intervalo, o contador de freqüências associado a esse intervalo é aumentado pelo programa aplicativo; os contadores de freqüências conformarão o histograma que representará o perfil de taxa de fluxo momentâneo do consumidor, indicando o volume consumido por esse usuário em cada intervalo de taxa de fluxo, que é programado pela agência de operação, bem como o volume total consumido, que pode ser computado através da condução da soma de todos os contadores de freqüências.
8. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os histogramas de quadros de horários são gerados conforme as operações a seguir: simultaneamente à geração do histograma de taxa de fluxo, o programa aplicativo contido em (29) obtém a hora do dia que é fornecida pelo relógio de tempo real (31) e analisa este valor para determinar a qual dos três intervalos de quadros de horários do histograma de tempo de uso ele corresponde; isso é conduzido através da comparação de se o valor da hora encontra-se dentro de cada um dos pares de limites correspondentes a cada intervalo do quadro de horários; após a determinação do intervalo, o programa aplicativo contido em (29) aumenta o contador de freqüência de tempo de uso associado a esse intervalo, que permite a obtenção de um histograma de tempo de uso no qual os intervalos de classe que são programados pela agência de operação representam os quadros de horários e a freqüência ou valor de cada contador representa o volume consumido nessa faixa de quadro de horários.
9. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação
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3. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a Unidade de Controle (UDC) (3) compreende um Microcontrolador (29) que contém, ao mesmo tempo, uma memória não volátil (30) para armazenagem de parâmetros e estruturas de dados que são gerados pelo programa aplicativo de análise executado pelo Microcontrolador (29) e um relógio de tempo real
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6, caracterizado pelo fato de que a operação é conduzida conforme as etapas a seguir: configurar o Sistema, transmitindo valores para a memória não volátil (30); os valores regerão o comportamento do programa aplicativo residente na ROM do Microcontrolador (29), tais como os limites da taxa de fluxo e intervalos de classe de tempo de uso ou inícios de operação do Relógio de Tempo Real (31); criação de histogramas de taxa de fluxo ou histogramas de quadros de horários que correspondam a duas estruturas de dados independentes que, quando criadas, são armazenadas na memória não volátil (30); transferir informações pela Agência de Operação deste Sistema, entre esse Sistema e um Terminal Portátil ou Computador Pessoal TP/PC (8), utilizando a Unidade de Comunicações (UCO) (4) como meio para sua transferência; acessar a memória do Microcontrolador (29) na Unidade de Controle (UDC) (3) através de um programa aplicativo residente no Terminal Portátil ou Computador Pessoal (TP/PC) (8) para ler e escrever seu conteúdo; transferir o conteúdo das estruturas de dados que contêm informações sobre o volume, taxa de fluxo e tempo de uso do consumidor por meio da leitura, através do Terminal Portátil ou Computador Pessoal TP/PC (8); converter as informações contidas na memória não volátil (30) em formato serial e transferi-las por meio do sinal C_TXD (23) em direção à interface do conector (25) ou à antena (28); configurar o Sistema, transmitindo novos valores para a memória não volátil (30); os novos valores regerão o comportamento do programa aplicativo residente na ROM do Microcontrolador (29).
10. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a conexão ao medidor (1) é conduzida conforme as etapas a seguir: por meio dos sinais fornecidos pelo medidor (1), a presença de corrente no gerador de pulsos do medidor (1) é controlada através do sinal (10); o gerador de pulsos contido no medidor (1) fornece informações suficientes para que a Unidade de Controle (UDC) (3) detecte um corte do cabo através do sinal M_CORTE (11); o medidor também gera pulsos para cada unidade de volume que flui através do sinal S_FLUJO que, ao mesmo tempo, é filtrado por meio do filtro de baixa passagem (15) para eliminar ruídos que poderiam causar leituras falsas na Unidade de Controle (UDC) (3); o sinal filtrado é adquirido pela Unidade de Controle (UDC) (3) por meio do sinal M_FLUJO (12);
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4. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a Unidade de Comunicações (UCO) (4) compreende um conector (25), um conversor (26) e um conversor indutivo (27), bem como uma antena (28); com estes elementos, ela converte as linhas de comunicação C_TXD e M_RXD em sinais que podem ser transmitidos para um dispositivo terminal externo (8) por meio de meios com fios através do conversor (26) ou canal sem fio através do conversor (27) que, ao mesmo tempo, acopla os sinais de e para o Sistema através da antena (28).
5. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a Unidade de Proteção e Detecção de Baixo Nível de Energia (UBB) (6) compreende um diodo (18) que se conecta à Unidade de Energia (BAT) (5) por meio do sinal S_BAT para o sinal de voltagem de alimentação VCC, bem como um detetor de voltagem (22) utilizado para indicar o nível de uso da Unidade de Energia (BAT) (5) para a Unidade de Controle (UDC) (3) por meio dos sinais M_LOWB e C_LOWB.
6. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os histogramas são histogramas de taxa de fluxo e histogramas de quadros de horários que correspondem a duas estruturas de dados independentes que, quando criadas, são armazenadas na memória não volátil (30) e nas quais existe um grupo de registros no qual são armazenados os limites dos intervalos de classe de taxa de fluxo e tempo de uso, que são programados pela agência de operação.
7. Sistema eletrônico para criação instantânea e armazenagem de histogramas de consumo em pontos de entrada de água potável e outros fluidos conforme a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os histogramas de taxa de fluxo são gerados conforme as operações a seguir: o sinal (12) ativa o Microcontrolador (29) que se encontra em estado de letargia; como de forma simultânea o relógio de tempo real (31) contido em
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5/5 o detetor de violação magnética contido no medidor (1) é ativado com a presença de um campo magnético intruso e é acoplado à Unidade de Controle (UDC) (3) por meio do sinal C_VIOLA (14); o sinal S_REFLUJO também é filtrado pelo filtro de baixa passagem (16) para gerar um sinal livre de M_REFLUJO (13) ilegítimo; o sinal (13) ativará a Unidade de Controle (UDC) (3) quando a direção do fluxo de água for do interior da instalação do consumidor em direção ao serviço doméstico; a Unidade de Controle (UDC) (3) é mantida em estado de letargia que minimiza o consumo de energia; para reduzir o consumo de energia da Unidade de Energia (BAT) (5) caso os detetores de fluxo, refluxo e violação sejam mantidos ativos, o sinal C_TLUIM (10) desativa a voltagem de alimentação e coloca a Unidade de Controle (UDC) (3) em modo especial de operação, no qual ela monitora os sinais (12), (13) e (14) até que mostrem atividade novamente.
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