Tese de mestrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Área de especialização de Sistemas de Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2007

This dissertation describes the design and implementation of an emergency lighting system using Light Emitting Diodes (LED s). The system is composed by two integrated converters working as battery charger and LED s supplying. Power LED s were used, due to their high luminous flux and opening angle of 160°. System control and management are done through a microcontroller. The features of light emitting diodes are discussed in this work. The system is based on both Brazilian and international current emergency lighting systems standards, NBR10898, 1999 and IEEE Std 446, 1995, respectively / Esta dissertação descreve o projeto e implementação de um sistema de iluminação de emergência utilizando Diodos Emissores de Luz (LED s). O sistema é composto por dois conversores integrados que possuem as funções de recarga da bateria e acionamento dos LED s. Os LED s utilizados nesta proposta são os LED s de potência, que tem um fluxo luminoso superior aos demais, e apresenta um ângulo de abertura de aproximadamente 160º. O controle e supervisão do sistema são realizados através de um microcontrolador. As características dos diodos emissores de luz são analisadas neste trabalho. O sistema é baseado nas normas para sistema de Iluminação de emergência ABNT, NBR 10898, 1999, norma brasileira e IEEE Std 446, 1995, norma internacional

Sistemas de operação remota e supervisão de iluminação pública são compostos por dispositivos acoplados aos pontos de luz interligados via rede, e aplicativos que são executados em computadores que indicam problemas nos pontos de iluminação e apuram o valor do consumo de energia. Estudar as tecnologias dos trabalhos correlatos, propor um sistema dedicado para iluminação pública e implantar o sistema proposto em um teste piloto para avaliação das características de operação e supervisão são os objetivos do trabalho. A arquitetura do sistema proposto é modular e expansível. O modelo baseado em células permite que novos conjuntos de dispositivos possam ser adicionados de acordo com a demanda. No desenvolvimento do trabalho a linguagem C# é adotada para desenvolver a operação e supervisão através do padrão CyberOPC (Cybernetic OPC) e arquivos do tipo XML são aplicados para descrição dos dispositivos e definição da topologia da rede. Os resultados obtidos em simulação e no teste piloto validam a metodologia e arquitetura proposta. / Systems of remote operation and supervision of public lighting are composed of devices attached to the light points interconnected via a network, and applications that run on computers that indicate problems with lighting points and discharge the amount of energy consumption. Studying the related works technologies, propose a system dedicated to public lighting and deploy the proposed system in a pilot test to evaluate the operating characteristics and supervision are the objectives of the work. The architecture of the proposed system is modular and expandable. The cell-based model allows new sets of devices can be added according to demand. In developing the work the C # language is adopted to develop the operation and monitoring via standard CyberOPC (Cybernetic OPC) and XML file types are applied to the device description and definition of the network topology. The results obtained from simulation and from the test pilot validate the methodology and the proposed architecture.

Sistemas de operação remota e supervisão de iluminação pública são compostos por dispositivos acoplados aos pontos de luz interligados via rede, e aplicativos que são executados em computadores que indicam problemas nos pontos de iluminação e apuram o valor do consumo de energia. Estudar as tecnologias dos trabalhos correlatos, propor um sistema dedicado para iluminação pública e implantar o sistema proposto em um teste piloto para avaliação das características de operação e supervisão são os objetivos do trabalho. A arquitetura do sistema proposto é modular e expansível. O modelo baseado em células permite que novos conjuntos de dispositivos possam ser adicionados de acordo com a demanda. No desenvolvimento do trabalho a linguagem C# é adotada para desenvolver a operação e supervisão através do padrão CyberOPC (Cybernetic OPC) e arquivos do tipo XML são aplicados para descrição dos dispositivos e definição da topologia da rede. Os resultados obtidos em simulação e no teste piloto validam a metodologia e arquitetura proposta. / Systems of remote operation and supervision of public lighting are composed of devices attached to the light points interconnected via a network, and applications that run on computers that indicate problems with lighting points and discharge the amount of energy consumption. Studying the related works technologies, propose a system dedicated to public lighting and deploy the proposed system in a pilot test to evaluate the operating characteristics and supervision are the objectives of the work. The architecture of the proposed system is modular and expandable. The cell-based model allows new sets of devices can be added according to demand. In developing the work the C # language is adopted to develop the operation and monitoring via standard CyberOPC (Cybernetic OPC) and XML file types are applied to the device description and definition of the network topology. The results obtained from simulation and from the test pilot validate the methodology and the proposed architecture.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents an optimization methodology for lighting systems that employ LED. Initially, this work brings a calculation methodology capable of obtaining a thermal resistance of heat sink from their dimensions of area, besides enable optimization of the system through reducing their volume by through of change in the number of finned, length and consequently the weight of heat sink. Subsequently, the thesis present a new optimization methodology that has the objective of find the optimal point of operation lighting system taking into consideration the parameters of application current in the device, luminous flux, junction temperature, thermal resistance heat sink, number of LED and lifetime. An example of project is shown, confirming the theory, where the obtained results through of routine calculation coincided with the values found in experimental. The work also present the development of electronic topologies to power a public lighting system employing LED. Therefore, a driver to power of LED based in the integrated two-flyback converters was proposed. One prototype this system was implemented, where the luminaire provide a power of 63W. The experimental results proved the project methodology through of system satisfactory operation, presenting power factor near unit, high efficiency and a low input current distortion was obtained. / Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização para sistemas de iluminação que empregam LEDs. Inicialmente, traz-se uma metodologia de cálculos capaz de obter a resistência térmica de dissipadores de calor a partir de suas dimensões de área, além de possibilitar a otimização do sistema através da redução do volume do mesmo por meio da variação do número de aletas, do comprimento e consequentemente da massa do dissipador. Posteriormente o trabalho apresenta uma nova metodologia de otimização que tem o objetivo de encontrar o ponto ótimo de operação do sistema de iluminação, levando-se em conta os parâmetros de corrente direta aplicada no dispositivo, fluxo luminoso, temperatura de junção, resistência térmica do dissipador, número de LEDs e vida útil dos mesmos. Um exemplo de projeto é demonstrado confirmando a teoria apresentada, onde os resultados obtidos através da rotina de cálculos coincidiram com os valores encontrados experimentalmente. O trabalho também apresenta o desenvolvimento de uma topologia eletrônica para alimentar um sistema de iluminação pública empregando LEDs. Dessa maneira, um driver para acionamento de LEDs baseado na integração de dois conversores flyback foi proposto. Um protótipo desse sistema foi implementado, onde a luminária apresenta uma potência de 63W. Resultados experimentais comprovam a metodologia de projeto através da operação satisfatória do sistema, apresentando fator de potência próximo ao unitário, elevada eficiência e o conteúdo harmônico da corrente de entrada do sistema de iluminação atendeu a norma.

Este trabalho propõe estratégias de roteamento e de controle de acesso ao meio destinadas as redes urbanas, motivadas pelo monitoramento e controle de variáveis elétricas relacionadas à iluminação pública. Tais estratégias foram desenvolvidas segundo requisitos da aplicação, trabalhos encontrados na literatura, limitações do protocolo IEEE 802.15.4 e as especificações RFC 5548 e IEEE 802.15.4e (draft). As estratégias desenvolvidas foram incorporadas a protocolos encontrados na literatura, as quais geraram protocolos aperfeiçoados para redes urbanas, dentre eles GGPSR e gradiente em função da maior distância, utilizados para o tráfego divergente e convergente, respectivamente. O protocolo GGPSR é composto pelo algoritmo geográfico GPSR, geocast e retransmissões para os vizinhos seguindo o critério do GGPSR em caso de falha. O protocolo baseado na maior distância é composto pelo algoritmo do gradiente, o qual utiliza a maior distância no caso de receptores com pesos de gradiente iguais e retransmissões seguindo o mesmo critério. Foi utilizado um modelo de propagação realista, no qual foi aplicada a estratégia de mapeamento de vizinhos dos nós de acordo com a distância aproximada fornecida pelo atributo do pacote RSSI. Além disso, para ambos os tipos de tráfego, foi aplicado o mecanismo de controle de acesso ao meio RIT com o objetivo de minimizar o consumo energético. A avaliação dos protocolos gerados a partir dessas estratégias foi feita em simulação utilizando a ferramenta NS-2 integrada em cenários de grande escala fornecidos pela concessionária de iluminação pública Elektro, segundo os critérios de energia remascente da rede, média de atraso fim a fim e taxa de entrega fim a fim. Os resultados obtidos mostram que os protocolos gerados superam protocolos propostos na literatura; além disso, a estratégia baseada na distância obtida pelo atributo RSSI viabiliza a aplicação do protocolo GGPSR. Em relação à aplicação do RIT com a estratégia de parâmetros em função do gradiente, esta se mostrou mais eficiente em comparação com os parâmetros de RIT iguais para todos os nós. / This work proposes routing and medium access control strategies for urban networks, particularly related to monitoring and control of electric variables in the street lighting system. Such strategies were developed according to application requirements, studies in the literature, limitations of the IEEE 802.15.4 protocol, and RFC 5548 and IEEE 802.15.4e (draft) specifications. Strategies were incorporated into protocols found in the literature, which generated specific improved protocols for urban networks, including GGPSR and Gradient based on the farthest neighbor, applied to divergent and convergent traffic, respectively. The GGPSR protocol is composed by the GPSR algorithm, geocast and retransmissions to neighbors according to the GGPSR criterion when a failure occurs. The protocol based on the longest distance comprises the gradient algorithm, which considers the longest distance when receivers have equal gradient weights and retransmissions follow the same criterion. A realistic propagation model was used, implementing the strategy to map neighboring nodes according to the approximate distance provided by the RSSI packet attribute. Moreover, for both traffic ypes, the RIT medium access control mechanism was used in order to minimize energy consumption. Protocols generated by these strategies were evaluated through simulation in NS-2 tool applied to large scale scenarios provided by public street lighting concessionaire Elektro, according to the criteria of remaining energy network, end-to-end average delay and end-to-end delivery rate. Results show that the generated protocols outperform protocols proposed in the literature; in addition, the strategy based on the distance obtained by the RSSI attribute enables the use of the GGPSR protocol. Regarding the use of RIT considering the parameters as a function of the gradient, this strategy is more efficient compared to using the same RIT parameters for all nodes.

Este trabalho propõe estratégias de roteamento e de controle de acesso ao meio destinadas as redes urbanas, motivadas pelo monitoramento e controle de variáveis elétricas relacionadas à iluminação pública. Tais estratégias foram desenvolvidas segundo requisitos da aplicação, trabalhos encontrados na literatura, limitações do protocolo IEEE 802.15.4 e as especificações RFC 5548 e IEEE 802.15.4e (draft). As estratégias desenvolvidas foram incorporadas a protocolos encontrados na literatura, as quais geraram protocolos aperfeiçoados para redes urbanas, dentre eles GGPSR e gradiente em função da maior distância, utilizados para o tráfego divergente e convergente, respectivamente. O protocolo GGPSR é composto pelo algoritmo geográfico GPSR, geocast e retransmissões para os vizinhos seguindo o critério do GGPSR em caso de falha. O protocolo baseado na maior distância é composto pelo algoritmo do gradiente, o qual utiliza a maior distância no caso de receptores com pesos de gradiente iguais e retransmissões seguindo o mesmo critério. Foi utilizado um modelo de propagação realista, no qual foi aplicada a estratégia de mapeamento de vizinhos dos nós de acordo com a distância aproximada fornecida pelo atributo do pacote RSSI. Além disso, para ambos os tipos de tráfego, foi aplicado o mecanismo de controle de acesso ao meio RIT com o objetivo de minimizar o consumo energético. A avaliação dos protocolos gerados a partir dessas estratégias foi feita em simulação utilizando a ferramenta NS-2 integrada em cenários de grande escala fornecidos pela concessionária de iluminação pública Elektro, segundo os critérios de energia remascente da rede, média de atraso fim a fim e taxa de entrega fim a fim. Os resultados obtidos mostram que os protocolos gerados superam protocolos propostos na literatura; além disso, a estratégia baseada na distância obtida pelo atributo RSSI viabiliza a aplicação do protocolo GGPSR. Em relação à aplicação do RIT com a estratégia de parâmetros em função do gradiente, esta se mostrou mais eficiente em comparação com os parâmetros de RIT iguais para todos os nós. / This work proposes routing and medium access control strategies for urban networks, particularly related to monitoring and control of electric variables in the street lighting system. Such strategies were developed according to application requirements, studies in the literature, limitations of the IEEE 802.15.4 protocol, and RFC 5548 and IEEE 802.15.4e (draft) specifications. Strategies were incorporated into protocols found in the literature, which generated specific improved protocols for urban networks, including GGPSR and Gradient based on the farthest neighbor, applied to divergent and convergent traffic, respectively. The GGPSR protocol is composed by the GPSR algorithm, geocast and retransmissions to neighbors according to the GGPSR criterion when a failure occurs. The protocol based on the longest distance comprises the gradient algorithm, which considers the longest distance when receivers have equal gradient weights and retransmissions follow the same criterion. A realistic propagation model was used, implementing the strategy to map neighboring nodes according to the approximate distance provided by the RSSI packet attribute. Moreover, for both traffic ypes, the RIT medium access control mechanism was used in order to minimize energy consumption. Protocols generated by these strategies were evaluated through simulation in NS-2 tool applied to large scale scenarios provided by public street lighting concessionaire Elektro, according to the criteria of remaining energy network, end-to-end average delay and end-to-end delivery rate. Results show that the generated protocols outperform protocols proposed in the literature; in addition, the strategy based on the distance obtained by the RSSI attribute enables the use of the GGPSR protocol. Regarding the use of RIT considering the parameters as a function of the gradient, this strategy is more efficient compared to using the same RIT parameters for all nodes.