بخشی از مقاله
امکان سنجی پیاده سازي خانه هوشمند
چکیده - این مقاله به دنبال رسیدن به این مطلب است که براي رسیدن به یک خانه هوشمند مطابق با انتظارمان چه بسترهایی نیاز است و هرکدام از این بستر ها به چه میزان قابلیت عملیاتی شدن دارند. براي نیل به این هدف، ابتدا به تشریح مفهوم هوشمند سازي سیستم ها از جمله سیستم هاي خانگی و مصداق هاي آن خواهیم پرداخت . بنابراین ابتدا صورت مساله تعریف می شود و پس از آن اهمیت هوشمندسازي خانه بیان خواهد شد تا بدانیم این همه مطالعه براي رسیدن به این هدف با چه انگیزه اي توجیه پذیر است. بعد از این مرحله مروري اجمالی بر کارهاي انجام گرفته و در حال اجرا خواهیم داشت و بعد از آن به این موضوع خواهیم پرداخت که خانه هوشمند براي رسیدن به هدفش چه مکانیسمی را در دستور کارش دارد و براي پیاده سازي آن مکانیسم بهینه سازي، چه نیازهایی در سر راه دارد. پس از آنکه این نیازها را نیز شناختیم براي رفع شان راه هایی ارایه خواهیم داد و نهایتا بررسی خواهیم کرد که راه عملی تر و مناسب تر که انتظارات ما از خانه هوشمند را نیز پاسخگو باشد کدام استراتژي پیاده سازي خواهد بود.
کلید واژه- اتوماسیون، بهینه سازي، خانه هوشمند
.
-1 مقدمه
آنچه امروزه بیش از پیش بـدان توجـه مـی شـود هوشـمند سازي هرچه بیشتر همه ي سیستم هاست. لـذا هوشـمند سـازي مفهومی نسبی است که حد مطلقی براي آن قابل تصـور نیسـت.
آنچه در صنعت برق مطرح است هوشمند سازي شبکه و سیستم هاي تولید ، انتقال و توزیع ( هوشمند سازي از دید تولید کننده)
و هوشمند سازي مصـرف واحـد هـاي کوچـک و بـزرگ مصـرف کننده (هوشمند سازي از دید مصرف کننده) است.
آنچه در این مقاله بدان توجه شـده اسـت هوشـمند سـازي مصرف مربوط به مصرف کنندگان خانگی است که در غالب خانه هوشمند بیان شده است.
اتوماسیون به زبان ساده تـر یعنـی اتوماتیـک کـردن عکـس العمل ها نسبت به برخی از رویدادها . و با این تعریف حتـی یـک سیستم اعلام سرقت یا اعـلام حریـق و .... هـر یـک، بـه تنهـایی شمایی از اتوماسیون هستند .یعنی زمانی کـه در یـک سـاختمان حریقی در حال شکل گیري است، بتوان با اسـتفاده از تجهیـزات خاص، از آن مطلع شد و نسبت به آن عکس العمل نشان داد .
در زمینه ي خانه هوشمند مقالات زیادي نوشته شده اسـت که هـر یـک بخشـی از آن را مـورد تاکیـد قـرار دادنـد از جملـه زیرساخت هاي ارتباطی، زیرساخت هاي کنترلی و الگوریتم بهینه سازي مصرف انرژي.
ما نیز در این مقاله سعی داریم بـه دنبـال کشـف چگـونگی کارکرد آن و در مرحله ي بعد چگونگی مراحل پیـاده سـازي آن باشیم .امکان رسیدن به آن را بسنجیم و ببینیم براي رسیدن بـه این خانه به چه چیزهایی نیازمندیم.
-2 مفهوم هوشمند سازي و خانه هوشمند
خانه هوشمند خانه ایست کـه در آن دو هـدف مهـم دنبـال میشود: مدیریت مصرف انرژي و حداقل نمودن دخالـت مسـتقیم انسان در چگونگی مصرف به نحوي که مـورد مطلوبیـت مصـرف کننده باشد.
لذا تعریف کلی که از خانه هوشمند مـی تـوان ارایـه نمـود عبارت است از " خانه اي با سیستم هاي اتوماتیک که عـلاوه بـر ایجاد آسایش و رفاه بیشتر، بهینه سازي و کنترل پـذیري هرچـه بیشتر انرژي را نیز به همراه دارد".
چند نمونه از مهم ترین کـارکرد هـاي خانـه هـاي هوشمند عبارتند از :
کنترل روشنایی، سیستم هاي گرمایش و سرمایش، سیستم هاي تهویه، سیستم هاي امنیتی، سیستم هـاي کشـف و مقابلـه نشت گاز ،آب و آتش.]١[
نکته حائز اهمیت در استفاده ازخانه هوشمند، برقراري ارتباط بین اجزاي سیستماتیک یک خانه است. بنابراین لازم است بـین همه موضوعات ارتباط منطقی مورد نیاز را برقرار کـرد . بـه طـور مثال درب هاي خروجـی یـک سـاختمان در هنگـام بـروز آتـش سوزي، جهت فرار ساکنان بـه صـورت خودکـار بـاز مـیشـوند و بـالعکس، در صـورت وقـوع سـرقت بـه صـورت خودکـار جهـت جلوگیري از فرار سارق، بسته شوند . بنابراین در این مثـال، بـین سیستم اعلام حریق، اعلام سرقت و کنتـرل تـردد ارتبـاط برقـرار شده است . این مهمترین ویژگی است که به دلیل دارا بودن هوش مصنوعی و قابلیت برنامه نویسی ایجاد شده است . ]٢[
-3 اهمیت خانه هوشمند
کشور ما یکی از کشور هاي پر مصـرف در زمینـه ي انـرژي برق میباشد. ایران حدود یـک درصـد جمعیـت جهـان را دارد و حدود دو درصد انرژي جهان را مصرف می کند. سـال هاسـت در حالیکه تولید برق در جهان پر هزینه بوده با این حال بهاي انرژي در ایران قیمت ناچیزي داشته و این وضـعیت مصـرف بـی رویـه انرژي را تشدید کرده است.
مضافاً بر این بخشـی از انـرژي اي کـه توسـط حامـل هـاي فسیلی انرژي تولید می شود اثرات مخرب زیست محیطی از خود بجا میگذارد.
لذا لازم است که بر مصرف انرژي مـدیریت داشـته باشـیماز.
آنجا که بیش از 40 درصـد مصـرف انـرژي مربـوط بـه مصـارف خانگی می باشد لازم است در زمینـه ي مـدیریت مصـرف خانـه توجه ویژهاي شودمسلماً. استقرار تجهیزات لازم بـراي هوشـمند سازي خانه خود هزینه ساز است اما تحقیقات نشان داده که این هزینه در مدت زمان کوتاهی با صـرف جـویی اي کـه در مصـرف انرژي انجام می دهد باز مـی گـردد و بعـد از آن سـبب میشـود هوشمند سازي براي مصرف کننده صرفه ي اقتصادي داشته باشد.
-4 کارهاي صورت گرفته در داخل و خارج از ایران
با توجه به مباحث بخش قبل، هوشمند سازي ساختمان هـا به عنوان بخش مهم مصرف کنندگان انرژي بـه منظـور کـاهش
چشــمگیر ســرانه مصــرفی انــرژي، هــم اکنــون در بسیاري از کشورهاي جهان آغاز شده است. و در این
زمینه بسیاري از شرکت هاي خصوصی و دولتی مشغول به ارایـه ي خدمات هستند. در این بین برخی از این موسسات تحقیقـاتی بوده و به دنبال رسیدن به زیر ساخت هاي بهینه تر مقدماتی اند.
در واقع زیر سـاخت هـاي لازم ماننـد سنسـور هـا، نمایشـگرها، کنترلرها، پروتکل ها و سایر اجـزا خانـه هوشـمند را بهینـه تـر خواهند کرد. این دسته در داخلکشـور تقریبـاً فعـال نیسـتند.
برخی دیگر نیزصرفاً به پیاده سازي ایـن تجهیـزات در خانـه هـا براي هوشمندسازي مشغولند. این گروه هم در داخل و هم خارج از کشور مشغول فعالیت اند. ]٣[
-5 مکانیسم بهینه سازي انرژي
همانطور که اشاره شد یکی از اهداف خانـه هوشـمند بهینـه سازي مصارف خانگی است. فرآیند بهینه سازي مصرف انرژي بـه دنبال این است که با کمترین هزینه، مطلوبات مصـرف کننـدهرا برآورده سازد. توجه به این نکته لازم است کـه کمتـرین هزینـه براي مصرف کننده به معناي رعایت الگوي مصرف اسـت. بـدین معنی که به میزانی که مصرف کننـده در زمـان هـاي کـم بـاري مصرف کنـد و کمتـر در سـاعات پربـاري از شـبکه بـرق بگیـرد هزینهي هر واحـد بـرق مصـرفی کمتـر محاسـبه خواهـد شـد .
بنابراین قیمت گذاري برق در ساعات مختلف روز به شکلی است که مصرف کننده با هدف کمینه کردن هزینه ي مصرفی برق ، به شبکه نیز کمک می کند تا در ساعات پرباري افزایش تقاضـا و در ساعات کم باري کاهش تقاضا نداشته باشد. ]٢[
ابتدا به این نکته اشاره می کنیم کـه مـوارد مصـرف انـرژي انواع مختلفی دارند که این تفاوت ماهیتی هرکدام سبب می شود در مدل ریاضی بهینه سازي تـابع هزینـه مصـرفی انـرژي خانـه، شرط هایی افزوده گـردد. بـه طـور مثـال برخـی مصـارف ماننـد تلویزیون تماشا کردن بسته به ترجیح کاربر مدت زمان مشـخص و زمان آغاز و پایان مشخصی ندارد. برخی دیگر مانند لباسشـویی مدت زمان مشخصی دارند اما قابلیت انتقال زمان آغاز به مصـرف را دارا هستند. برخی دیگر مانند پمپ شـیر اسـتخر مـدت زمـان مشخصی باید روشن باشند اما نیازي نیست به طور پیوسـته کـار کنند و قابلیت وقفه پذیري دارند.
بارهاي انتقال پذیر زمان شروع به کارشان می توانـد توسـط کنترلر تعیین شود و کاربر در آن دخالت مستقیم نداشـته باشـد.
برخی ازین مصارف پس از شروع به کار باید پیوسته کـار کننـد(
وقفه ناپذیر) ولی برخی دیگر قابلیت وقفه در بین مصرف و ادامـه
دادن در زمان هاي دیگر را نیز دارا هستند.
بارهاي انتقال ناپذیر قابل برنامه ریزي نیستند زیـرا یا به ترجیح کاربر زمان شروع و پایانشـان مششـخص مـی شـود
(پارامتري) یا به صورت پیوسته باید در زمان هاي مشخصی کـار کنند. ]۴[
بعد از این مقدمه راجع به انـواع بارهـاي مصـرفی نوبـت بـه مکانیسم بهینه سازي می رسد.
با فرض اینکه ما در خانه ي هوشمندصرفاً بـرق را از شـبکه تامین می کنیم هدف ما باید این باشد که بهینه سـازي مصـرفی طوري صورت گیرد تا هم مطلوبیت مصرفی کـاربر و هـم کمینـه شدن مصرف نتیجه شود.
سه روش اصلی در این زمینه پیشنهاد شده است که اسـاس روش هاي مختلف بهینه سازي مصرف است.
روش اول روش تــرجیح کــاربر اســت. در ایــن روش کــاربر اولویت و ترجیح خود را براي کارکرد مصرف کننده ها به کنترلـر منتقل می کند و کنترلر این دستورات را به بهینـه تـرین شـکل برنامه ریزي کرده و الگوي مصـرفی بهینـه ي ترجیحـی کـاربر را ارایه می دهد.
روش دوم روش بهینه سازي سطح اول اسـت. در ایـن روش هروسیله ي مصرف کننده به طور مستقل براي مصـرف خـودش مساله ي بهینه سازي اي حـل مـی کنـد و زمـان آغـاز و پایـان مصرف بهینه اش را به کنترلر مرکزي ارایه میدهد. در ایـن روش به بهینه شدن مصرف کلی توجهی نشده اسـت. امـا از آنجـا کـه اکثر وسایل پر مصرف بدون همپوشـانی در خانـه مـورد اسـتفاده قرار می گیرند این بهینه سازي اغلب به خوبی صورت می پـذیرد و به نسبت مناسب است.
روش سوم روش بهینه سازي سطح دوم است. در ایـن روش بهینه سازي مصرف کننده ها به صورت جز به جـز صـورت نمـی پذیرد بلکه یک تابع بهینه سازي کلی تعریف می شود کـه در آن مصرف کلی خانه مدل شده است و این مدل بهینـه میشـود. لـذا بهینه ترین حل در این روش بدست می آید.
لازم به ذکر است این روش ها براي حل مساله بهینـهسـازي مدلهاي ریاضی ارایه میدهند که حل این مسـایل بخـاطر عـدم قطعیتهاي ذاتی مربوط به مصرف کننده نمی تواند با روشهـاي محض آنالیتیک به جواب برسند. از این جهت براي حل این گونه مسایل از نظريهایی نظیر نظریه بـازي، ازدحـام و غیـره کـه بـر اساس همین عدم قطعیت بنا شده اند نیز کمک میگیرند. ]۵[
-6 زیرساخت هاي مورد نیاز براي پیاده سازي
آنچه تا کنون گفته شد مروري بر هوشمندسازي ، اهمیـت هوشمندسـازي، کارهـاي در حـال اجـرا و
مکانیسم برنامه ریزي مصرف انرژي در خانه هاي هوشمند بود.
در بخش هاي پیش رو به این مساله می پـردازیم کـه بـراي پیاده سازي خانه هوشمند نیاز به چه زیرسـاخت هـایی خـواهیم داشت و این زیر ساخت ها باید چه ویژگی هایی داشته باشند تـا بتوانند انتظارات ما از یک خانه هوشمند را برآورده کنند. در ابتدا به تعریفی ساده از انتظار ما از خانه هوشمند می پردازیم:
خانه هوشمند خانـه اي اسـت بـا یـک قلـب مرکـزي بـراي مدیریت مصرف و دستورات. براي آنکه این مهم را به درستی بـه انجام برساند نیازمند برقراري ارتباط با تک تک مصرف کننده ها در خانه است. لذا هم باید راه ارتباط با آنهـا داشـته باشـد و هـم اینکه بتوانند با هم با یک زبان مشترك تبـادل اطلاعـات بکننـد.
همچنین هر مصرف کننده نیز باید بتواند اطلاعات مورد نیاز قلب مرکزي را مهیا کند تا مدیریت مصرف به خوبی انجام شود.
در کنار این موارد کاربر هم باید بتواند در جریان مسایل قرار گیرد و هم بتواند در مواقعی دستوراتی را از داخل یا خارج خانـه به قلب مرکزي بدهد. توجه به این نکته نیـز لازم اسـت کـه ایـن ارتباط با قلب مرکزي باید در بستري امن صورت پذیرد تـا خانـه تحت کنترل افراد غیر مجاز قرار نگیرد. ]۵[
بنابراین آنچه به طور خلاصه براي پیاده سازي خانه هوشمند به آن نیازمندیم یک کنترلر مرکزي ، سنسور هـا و سـامانه هـاي جانبی ، زیرساخت مخابراتی ، پروتکل ارتباطی مناسب، ابزار هاي ارتباطی با کاربر و تمهیدات امنیتی است. ]۶[
-7 زیرساخت مخابراتی
انتظـارات مـا در انتخـاب روش مناسـب ارتبـاط داخلـی در خانهي هوشمند عبارتند از:
سرعت مخابرهنسـبتاً انـدك، مصـرف انـرژي کـم، اسـتقرار فیزیکی کم حجم، کم هزینه بودن، پوشش دهـی سراسـر خانـه، قابلیت اطمینان بالاو امنیت در تبادل اطلاعات، ارتباط یکپارچـه بین شبکه کنترل داخلی و وسایل برقـی و مناسـب بـودن بـراي پیغام هاي کنترلی کوتاه و پشت سر هم در موارد اضطراري
لذا براي انتخاب روش ارتباط کنترلـر بـا وسـایل، توجـه بـه هرکدام از این ویژگیها و مقایسهي آنها بـا هـم موضـوع مهمـی است که باید به آن پرداخته شود. در ادامه بـه تشـریح برخـی از روش هاي مخابره داده می پردازیم تا در نهایت بتـوانیم مقایسـه اي بین این روش ها داشته باشیم و مناسبترین روش را انتخـاب نماییم
