مقاله روشی جدید جهت کنترل هوشمند خانه

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله، خانه هوشمند با استفاده از مدل خانهی پیشفرض پیادهسازی شده است. بدینصورت که سیستم روشنایی، سیستم حرارتی، سیستم مدیریت انرژی، اتوماسیون، ظرفشویی و دیگر لوازم خانگی را بتوان از طریق یک برنامهی زمانبندیشده از راه دور و یا از طریق کامپیوتر کنترل کرد. در این مقاله از نرمافزار متلب برای جمعآوری اطلاعات مربوط به دما، رطوبت، روشنایی، آب و حرکت استفاده شده است. برای استفاده از منابع تجدیدپذیر از پنل خورشیدی 5 واتی استفاده شده که این پنل، باتریهای نیکل – کادمیوم را که قرار است بعد از شارژ بهعنوان یک منبع انرژی استفاده شوند، شارژ میکند. از سنسور حرکتی، سنسور روشنایی و سنسور لیزر برای سیستمهای امنیتی و سیستم کنترل روشنایی استفاده شده است. برای سیستم کنترل باز و بسته کردن پنجره نیز سنسور تشخیص باران و سرو موتور مورداستفاده قرارگرفته است. تمامی عناصر پروژه از برق DC استفاده میکنند. این طرح کاهش 72 درصدی قبض برق و کاهش 71 درصدی انتشار دیاکسید کربن راتضمین میکند.

کلیدواژه- سیستم مدیریت انرژی، پنل خورشیدی، سنسور حرکتی، سنسور لیزر، سرو موتور

-1 مقدمه

خانهی هوشمند خانه ایست که برای ساکنانش راحتی، امنیت، خودکفایی ازنظر انرژی، هزینههای کم برای انجام کارها و راحتی در تمام زمانها را حتی اگر کسی خانه نباشد، فراهم میکند. واژهی خانهی هوشمند میتواند با اتوماسیون خانگی ارتباط پیدا کند. یک اتوماسیون خانگی درواقع لوازم الکتریکی منزل را با یکدیگر و با سیستم کنترل اصلی یکپارچه می کند. سیستم کنترل اصلی، کنترل روشنایی، کنترل دربها، سیستم مدیریت انرژی و سیستمهای دیگر را در دست دارد. داشتن چنین سیستم کنترلی میتواند بهطور قابلتوجهی کیفیت زندگی ساکنین خانهی هوشمند را بهبود بخشد. واژهی خانهی هوشمند ابتدا توسط انجمن سازندگان خانهی آمریکا در سال 1984 ابداع شد .[1]

امروزه ایدهی اصلی نهفته در فناوری خانهی هوشمند این است که میتواند در هرزمانی به شبکهی برق هوشمند متصل شود. خانهی هوشمند علاوه بر استفاده از سیستم اتوماسیون بایستی از انرژی تجدیدپذیر در تمامی اوقات استفاده کند تا بتواند استفاده از انرژی شبکه را کاهش دهد. همچنین باعث کاهش وابستگی به نفت و گاز بهعنوان منابع اصلی انرژی میشود.[2]مهمترین لوازم یک خانهی هوشمند سنسورها، فعال کنندهها، گذرگاهها و رابطها یا خطوط اتصال و کنترلکنندهها هستند. از سنسورها برای اندازه گیری یا ردیابی چندین پارامتر متفاوت از قبیل دما، روشنایی، انرژی، حرکت، مصرف، آب و غیره استفاده میشود. بهصورت مشابه از فعالکنندهها برای کنترل سوییچها و موتورها استفاده میشود. گذرگاهها برای حفظ و نگهداری ارتباط دائم مابین قطعات مورداستفاده قرار میگیرند و رابطها - اینترفیس - برای توانایی بخشیدن به صاحب منزل برای کنترل از راه دور خانه و همچنین تهیهی اطلاعات دربارهی سیستم و رساندن آن به دست مالک بکار گرفته می شوند.

بااینحال قسمتها یا قطعات اصلی خانهی هوشمند کنترلکنندهها هستند که تمامی سیستمهای ذکرشده در بالا را کنترل میکنند.معمولاً از میکروکنترلر ها و کامپیوترهای شخصی1 بهعنوان کنترل کنندهها استفاده میشود. سیستم کنترل روشنایی باید طوری طراحی شود که بر مبنای مقدار روشنایی بیرون از خانه، چراغ بتواند روشن شود. بهطور دقیقتریعنی چراغِ دالان باید بهمحض اینکه خورشید غروب میکند و شخصی بیرون از منزل در دالان ایستاده روشن شود. همچنین ساکنین باید بتوانند در تمامی زمانها بهصورت دستی چراغها را در داخل و خارج منزل روشن کنند. از آنجا که خانه دارای تنظیم خودکار یا اتوماسیون است، میتواند با استفاده از سیستم ردیاب باران یا سیستمی که بتواند بهمحض شروع باران آن را تشخیص دهد، بهصورت اتوماتیک پنجره ها را ببندد.[3] همچنین اطلاعات در خصوص مصرف انرژی خانه هوشمند و همینطور اطلاعات مربوط به کل انرژی استفاده شده از باتری در تمامی زمانها وجود دارد.

مدل این خانهی هوشمند با استفاده از ورقه های پلی اتیلن ترفتالات گلیکول1 ساخته شده است. این ورقه ها توسط لیزر به قطعات کوچکتری بریده شده اند و سپس تمامی آن ها بهم متصل شده اند تا بتوان ازین طریق خانه را بنا نهاد. از آردوینو مگا بهعنوان کنترل کننده ی اصلی خانه استفاده می شود که شامل 54 پین دیجیتال ورودی و خروجی است. آردوینو مگا از طریق پورت USB برق رسانی میشود و همچنین پورت USB آردوینو به PC وصل است که ازین طریق بتوان ارتباط دائم مابین آردوینو و PC را حفظ کرد.2GUI یا همان خط اتصال گرافیکی کاربر، با استفاده از نرمافزار متلب برای دریافت و رسم اطلاعات طراحی شده است که در شکل - 1 - قابل مشاهده است.روی PC نشان داده میشود که به دو قسمت تقسیم میشود. قسمت اول نشان میدهد که چه مقدار انرژی از منبعِ تجدیدپذیر استفاده میشود و بخش دیگر نشان می دهد که چه مقدار انرژی از شبکهی برق تامین میشود.

سیستم دما با استفاده از سنسور دمایی آنالوگ DHT11 فعال میشود. این سنسور در داخل منزل تعبیه میشود و دائما درحال جمعآوری اطلاعات دمایی است. سیستم روشنایی نیز با استفاده از سنسور نور محیط DFRobotو سنسور حرکت3PIR اجرا میشود. این سنسور ها بسته به اینکه میزان شارژ باتری چقدر باشد، یا از شبکهی برق یا از باتری 5 - ولت - DC تغذیه میشوند. سنسور دما و سنسور نور محیط از طریق پین آنالوگ و سنسور حرکت از طریق پین دیجیتال با آردوینو ارتباط برقرار میکنند. نحوه ی عملکرد سیستم روشنایی در شکل - 2 - قابل مشاهده است.GUI دائما در حال نشان دادن دمای جاری داخل منزل می باشد. مقدار دما در هر ثانیه اندازه گیری میشود و میانگین دما در طول مدت یک دقیقه هم بهصورت گرافیکی و هم بهصورت نموداری و عددی نشان داده میشود. سیستم دما در دو مقیاس مختلف دمایی کار میکند. مقیاس اول درجه ی سلسیوس و مقیاس دوم درجه ی فارنهایت می باشد.

همزمان GUI به کاربر این توانایی ها را می دهد که بتواند چراغ هارا روشن و خاموش کند و سیستم تشخیص باران را فعال کند. در پایان، مصرف انرژی جاری و سطح باتری و کل میزان مصرف،کار سنسور PIR بدین گونه است که حرکت را با اندازه گیری تغییرات در سطح حرارت مادون قرمزی که توسط اشیاء اطراف منتشر میشود ردیابی میکند. زمانی که سنسور روشنایی تشخیص دهد که میزان روشنایی کم است و سنسور PIR تحریک شده باشد، آردوینو سوییچ را می بندد و چراغ هارا روشن میکند. وقتی چراغ ها روشن میشوند یعنی بعد از اینکه هردو سنسور ها فعال شده اند ساعتِ داخلی سیستم شروع به کار میکند. برای اینکه چراغ ها روشن شوند بایستی هردو سنسور فعال باشند. چراغ برای مدت 10 ثانیه روشن می ماند و اگر هیچ حرکتی مشاهده نشود خاموش میشود.

اگر تحرکی تشخیص داده شود، ساعت داخلی سیستم روی صفر ست میشود. قسمتهای اصلی سیستم ردیاب باران، سنسور آب - سنسور حساس به آب - با حساسیت بالا و یک سرو موتور HS-311 است. سنسور آب در کنار خانه تعبیه می شود. آردوینو از طریق پین های آنالوگ به سنسور های آب وصل میشود. سنسور آب و سروموتور از طریق برق مستقیم 5 ولت تغذیه میشوند - خواه از برق شهری خواه از باتری، بسته به سطح انرژی باتری - . این سیستم طوری طراحی شده است که زمانی که رد باران توسط سنسور های آب تشخیص داده شود، با استفاده از سرو موتورهای HS-311 پنجره ها بهطور اتوماتیک بسته خواهند شد.مصرف برق را می توان از طریق ضرب جریان برق و ولتاژی که به مدار می رسد اندازه گیری کرد. جریان برق را نیز می توان در هر ثانیه با استفاده از سنسور جریان ACS712 اندازه گرفت. ولتاژی که به این مدار می رسد را نیز می توان از طریق ورودی آنالوگ آردوینو با استفاده از مدار های تقسیم کننده ی ولتاژ مطابق شکل - 3 - اندازه گیری کرد.

از آنجا که آردوینو قادر نیست که با ولتاژ های بیش از 5 ولت کار کند، مدار تقسیم کننده ی ولتاژ بگونه ای طراحی شده که ولتاژ R2 هرگز از 5 ولت تجاوز نمیکند. مقدار ولتاژ از طریق پین آنالوگ با استفاده از آردوینو خوانده میشود.اندازه گیریِ جریان برق و ولتاژ در هرثانیه امکان پذیر است و در نرمافزار متلب ذخیره میشود. برای دست یافتن به اطلاعات دقیقتر، برنامه ای که در نرمافزار متلب طراحی شده، برای مدت 5 دقیقه و در هر دقیقه 60 نمونه جمعآوری میکند و میانگین داده های جمعآوری شده را هم برای جریان برق و هم برای ولتاژ بدست می آورد. اندازه گیری مصرف برق از باتری نیز تقریبا به همین صورت است.

برای انجام این محاسبه، زمانی که سیستم درحال استفاده از باتری است یا زمانی که رله، منبع برق را از برق شهری به باتری تغییر می دهد، میانگین مصرف برق در یک محل خاص ذخیره میشود. همچنین بهمحض اینکه خانهی هوشمند منبع برق را از برق شهری به باتری تغییر می دهد نرمافزار متلب مدت زمان مصرف برق را اندازه گیری میکند و آن را در GUI به نمایش می گذارد.مقاومت ها با استفاده از فرمول - 1 - محاسبه میشوند.نسبت مقاومت ها در حالتی که باتری کاملا شارژ شده است محاسبه میشود.در خروجی باتری،2 مقاومت سری، موازی با باتری بسته میشود. سطح شارژ باتری در سه حالت مختلف بررسی می شود. اولین حالت این است که میزان شارژ باتری زیر 10 ولت است. در این صورت شارژ شدن باتری آغاز میشود و منبع برق خانه از برق شهر تامین میشود. در حالت دوم میزان شارژ باتری بالای 14 ولت است .

در این صورت شارژ شدن باتری متوقف میشود و منبع برق خانه از برق شهری به باتری تغییر می یابد. حالت سوم نیز زمانیست که سطح باتری در محدوده ی 10 ولت تا 14 ولت است که در این حالت نیز منبع برق خانه باتری است. این حالات بررسی شد زیرا باتریهایی که از آنها در خانهی هوشمند استفاده میشود نمی توانند زیر 10 ولت هیچگونه برقی به سیستم برسانند. پس فقط زمانی که باتری بین 10 ولت و 14 ولت است از آن استفاده می شود تا از رسیدن برق مناسب به تمامی اجزاء سیستم اطمینان حاصل شود. سطح شارژ باتری هر ثانیه برای مدت یک دقیقه اندازه گیری میشود سپس میانگین ارزش داده های جمعآوری شده، هم به صورت گرافیکی و هم بهصورت رقمی، در GUI نشان داده میشود.

برای این که از کارکرد صحیح سنسور ها اطمینان حاصل شود قبل از بکارگیری سنسورها، هریک از آنها جداگانه تست میشود. ابتدا عملکرد سنسور دما تست میشود. پس از دو تست اول مشخص میشود که اگر در هر ثانیه دما اندازه گیری شود، دادهی خروجی ثابت نخواهد بود. پس برای دقیقه ی اول در هرثانیه دما اندازه گیری شده و سپس میانگین تمامی اندازه گیری ها بدست آورده میشود تا بتوان به دقیقترین اطلاعات دست یافت. در مرحله دوم عملکرد سنسور PIR مورد آزمایش قرار می گیرد. در ابتدا این سنسور برای تشخیص حرکت هایی که بیش از 5 سانتیمتر از سنسور فاصله داشت دچار مشکل می شد. برای اینکه عملکرد سنسور PIR بهبود یابد، با باز کردن پیچ حساسیت