بخشی از مقاله
چکیده
طراحی عملکرد هوشمند مناسب برای سیستم روشنایی معابر بینشهری، شکل تکامل یافتهای از تلاش برای بهینهسازی و افزایش قابلیت عملکرد این حوزه است. لامپهای سنتی، به مرور در حال جایگزین شدن با لامپهای پر بازده و کنترل پذیرتر LED هستند. طرح پیشنهادی این مقاله برای هوشمندسازی سیستم روشنایی معابر بینشهری، شامل اجزای مختلفی چون LED، حسگر تشخیص حرکت، کنترلکننده آردوینو وشیلد ارتباط دهنده پردازنده به اینترنت است. همچنین سناریوی پیشنهادی، در زمانهای با رفتوآمد کم طراحی شده و به این منظور از دو دیدبان نرخ عبور خودرو و پایش انرژی مصرفی کل سیستم در حالت کارکرد هوشمند استفاده گردیده است. از اینترنت اشیاء در این مقاله با هدف اصلی پایش و کنترل سیستم استفاده شده است.
کلید واژه- اینترنت اشیاء، روشنایی معابر بینشهری، روشنایی هوشمند.
-1 مقدمه
بهینهسازی مصرف انرژی از دغدغههای مهم و همیشگی برای دستاندرکاران این حوزه از دیرباز تاکنون بوده است. سهم سیستم روشنایی مصنوعی از مصرف انرژی حدود %30 از کل انرژی مصرفی سیستم قدرت است .[1] ازآنجاییکه سیستم روشنایی معابر بینشهری سهم قابل توجهی از انرژی مصرفی سیستم روشنایی مصنوعی کشور را شامل میشود، تلاشهای فراوانی به منظورکاهش مصرف بیرویه انرژی در این حوزه شده است. کارهای انجام گرفته تا به حال از جمله تعویض چراغهای سنتی با نمونههای پیشرفتهتر [1-3]، با اینکه مفید بوده ولی کافی نبوده است. همچنین در مرجع [4] از حالت دیمینگ برای کنترل متمرکز سطح روشنایی معابر استفاده شده است و یا استفاده از سیستم چند سطحی روشنایی با دو بالاست متفاوت برای هر چراغ، طرحی است که در مرجع [5] انجام گردیده است.
از دید نویسندگان این مقاله این قابلیت در سیستم روشنایی وجود دارد که عملکرد آن به صورت هوشمند صورت گیرد. در واقع با اجرای روش پیشنهادی، در زمانهایی که عبور و مرور خوردو کم است، با حفظ امنیت روشنایی مسیر، منجر به بهینهسازی مصرف انرژی به صورت هوشمندانه میگردد. علاوه بر آن سیستم این قابلیت را پیدا میکند تا با حرکت برای هوشمندسازی عملکرد سیستمها در سایر حوزهها از جمله حملونقل - خوردوهای به هم مرتبط - ، شبکه قدرت الکتریکی - شبکه هوشمند - و بهرهبرداری از سیستمهای مخابراتی و مصرف انرژی در شهرها - شهر هوشمند - ، همگام شود. در این مقاله ابتدا اجزای به کار رفته در سیستم پیشنهادی معرفی شده و سپس سناریوی طرح، بیان گشته و در نهایت نتایج بدست آمده از اندازهگیریها و محاسبات لازم در انتها آورده شده است.
-2 اجزای طرح
به منظور طرح و پیادهسازی سیستم هوشمند روشنایی بیان شده در این مقاله، از اجزای اساسی و در عین حال با محدودیت قابل قبولی استفاده شده است تا هم دستیابی به اهداف مورد نظر را میسر کرده و هم از نظر اقتصادی برای سیستم مقرون به صرفه باشد . این اجزاء و شرح کارکرد و دلایل استفاده از آنها در ادامه بیان شده است.
LED -1-2
امروزه اکثر لامپها در سیستم روشنایی معابر، از نوع لامپهای گازی میباشند. در میان لامپهای گازی، از لامپهای بخار سدیم پرفشار بیشتر استفاده شده است. اساس عملکرد این لامپ و سایر لامپهای گازی، تخلیه الکتریکی میباشد. در این لامپها اتم گاز، تحریک شده و در نتیجه الکترونی از یک مدار پایین به مدار بالاتر که ناپایدارتر است، حرکت میکند. الکترون جهت پیدا کردن یک موقعیت پایدارتر مجدداً به حالت اولیه یا یک مدار پایینتر برمیگردد. این عمل با آزاد شدن انرژی به صورت انرژی نورانی و گرمایی همراه است. این لامپها در محدوده توان 50 تا1000 وات ساخته شدهاند .[6] در سالهای اخیر استفاده از لامپ-های LED - لامپهای متشکل از تعدادی دیودهای LED یا دیودهای ساطع کننده نور - به جای این لامپها رواج یافته است. تحقیقات زیادی برای جایگزینی لامپهای LED به جای لامپهای گازی صورت گرفته است.
برای مثال در مرجع [3] به بررسی یکی از روشهای بهینهسازی مصرف انرژی با جایگزین نمودن لامپهای بخار جیوه و سدیم پرفشار با منبع نور LED در سیستم روشنایی معابر عمومی در یکی از شهرهای نمونه پرداخته شده است. در این مقاله با توجه به بهره نوری، توان و یکنواختی روشنایی، برای لامپهای 255 ، 125، 75 و 55 وات گازی موجود، لامپهای LED با توانهای به ترتیب 155، 35، 35 و 35 وات جایگزین شدهاند. در مرجع [2] در مالزی، یک پروژه آزمایشی برای استفاده از لامپهای LED به جای لامپهای گازی انجام شده است. هزینه برگشت سرمایه برای این پروژه 5 سال محاسبه شده است. لامپهای LED مزیتهای زیادی نسبت به سایر لامپها دارند که به طور خلاصه چند مورد آن به صورت زیر میتوان اشاره کرد .[7]
طول عمر بالا 50,000 - تا 60,000 ساعت -
·بازدهی بالا
·منتشر نشدن نور در تمام جهت - در نتیجه کاهش مصرف انرژی و آسیبهای استرسی ناشی از نور مصنوعی به جانوران موجود در محیط زیست -
·مقاومت در برابر ضربههای مکانیکی
·قابلیت روشن و خاموش شدن در سیکلهای سریع بدون اثرات مخرب
·بهبود عملکرد در هوای سرد
·قابلیت کنترل و دیمینگ
·قابلیت تنظیم رنگ
·حداقل تابش نامرئی - مثل اشعه ماوراءبنفش و مادونقرمز -
·ثابت ماندن نور خروجی در طول زمان
·روشن شدن به محض رسیدن ولتاژ به آنها
· قابلیت تغذیه DC و AC
همانطور که در بالا نیز اشاره شد لامپهای LED به محض رسیدن ولتاژ به دو سر آنها روشن میشوند در صورتی که لامپهای گازی چند دقیقهای برای روشن شدن زمان میبرند. این یکی از مزیتهای مهم در کنترل هوشمند به حساب میآید. در این مقاله با توجه به اینکه روشن و خاموش شدن لامپها با فرمان پردازنده صورت میگیرد باید این عمل سریع انجام گیرد. لامپهای LED برای هوشمند سازی روشنایی معابر با توجه به ویژگیهای آنها بسیار مناسب میباشند. همچنین به دلیل اینکه این لامپها از تعداد زیادی لامپهای کوچکتر تشکیل شدهاند میتوان برای تنظیم دو سطح کمنور و پرنور، تعدادی از این لامپها را برای ایجاد سطح کمنور، از مدار خارج کرد در صورتی که برای این کار در لامپهای گازی، نیاز به یک دیمر خواهد بود. در شکل 1 ، یک لامپ LED که از 700 دیود LED تشکیل شده، نشان داده شده است.[8]در این مقاله، مسیر در نظر گرفته شده، به صورت بزرگراهی با دو باند رفت و برگشتی بوده که هر باند میتواند شامل چند لاین - مسیر مابین خطوط - حرکتی باشد. چراغهای روشنایی در وسط بزرگراه نصب گردیدهاند، بهطوریکه هر تیر روشنایی شامل دو چراغ روشنایی بوده که هر کدام به صورت مستقل از دیگری، باند مربوط به خود را میتواند روشن میکند - شکل . - 2
-2-2 حسگر
برای در اختیار داشتن عملکرد هوشمندی از سیستم، نیاز به تجهیزات اندازهگیری مناسبی است تا بتواند پدیدههای رخ داده را حس کرده و به سیستم تصمیمگیرنده برنامه پذیر، مخابره کند. به این منظور از حسگرهای تشخیص حرکت در ارتفاع مناسبی ازپایههای روشنایی استفاده گردیده تا بتواند حرکت خودروها را تشخیص داده و از طرفی این ارتفاع نصب طوری باشد تا از دسترس عموم، تا حدی که مقدور است دور بماند با این هدف که از خرابکاریهای بالقوه مصون ماند. این حسگرها باید بتوانند شعاع مورد قبولی را پوشش دهند و همچنین از انرژی مصرفی مناسبی برخوردار باشند. برای اندازهگیری نرخ عبور خودرو نیز از دو جفت حسگر به نسبت مطمئنتر در هر باند از بزرگراه استفاده میشود که هر کدام از نوع جفت حسگر فرستنده و گیرنده بوده بهطوریکه حسگر فرستنده روی گاردریل وسط بزرگراه و حسگر گیرنده روی گاردریل کناره یک باند بزرگراه نصب شده است. این دو جفت حسگر که در دو مکان متفاوتی از بزرگراه نصب شدهاند - برای اطمینان از عملکرد تشخیص نرخ عبور خودرو از دو جفت حسگر به جای یک جفت تنها بهرهگیری شده - ، در مکانهایی نصب میشوند که امکان وجود تأسیسات حفاظتی فیزیکی مناسبی برای آنها تعبیه شده باشد.
-3-2 کنترلکننده آردوینو
برد آردوینو Uno یک میکروکنترلر بر پایه ATmega328 میباشد. Uno آخرین سری از بردهای USB دار آردوینو و همچنین مدل مرجع پلتفرم آردوینو میباشد. خلاصهای از مشخصات برد آردوینو Uno در جدول 1 نشان داده شده است. پایههای دیجیتال آردوینو میتوانند به عنوان ورودی یا خروجی تعریف شوند. در روش پیشنهاد شده برای کنترل هوشمند روشنایی معابر، حسگرهای تشخیص حرکت به عنوان پایههای ورودی و چراغهای روشنایی معابر به عنوان پایههای خروجی آردوینو تعریف شدهاند. در حقیقت این میکروکنترلر با دریافت سیگنال از حسگرها، فرامین لازم را برای کنترل هوشمند به چراغها ارسال میکند.
با توجه به اینکه تعداد کل ورودی یا خروجی دیجیتال آردوینو 14 عدد میباشد و از طرفی برای دریافت دادههای هر حسگر، یک پایه ورودی دیجیتال نیاز است و همچنین برای هر خروجی آردوینو به هر چراغ، یک پایه دیجیتال نیاز است، در مجموع هر کنترلکننده آردوینو این قابلیت را دارد که هفت حسگر و هفت چراغ را پوشش دهد. بنابراین بهطورکلی برای هر بخش از مسیر به تعداد حداقل عدد آردوینو نیاز است. با توجه به اینکه در هر برد از کنترلکننده آردوینو دو پین برای ارتباط با آردوینوهای دیگر وجود دارد، این قابلیت فراهم میشود که تمام کنترلکنندههای آردوینو نیز به هم مرتبط شوند. واسط بین دو سطح ولتاژ کاری آردوینو و چراغهای روشنایی توسط رلههای مناسب صورت
