طراحی و اجرای سیستم روشنایی هوشمند ساختمان

ساختمان ها بخش عمده ای از کل انرژی اولیه را در سراسر جهان مصرف می کنند. بیش از نیمی از انرژی مصرف شده در این ساختمان ها به برق نسبت داده می شود و حدود یک سوم آن برای سیستم روشنایی است. با توجه به این حقایق امروز مسئله صرفه جویی در انرژی در تاسیسات روشنایی از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مقاله نویسندگان سه رویکرد اصلی را برای برنامه کارآمد مدیریت انرژی معرفی کرده اند:

• تجهیزات کارآمدتر جدید از جمله لامپ، چرخ دنده کنترل و …
• استفاده از روش های بهبود یافته طراحی نور مانند سیستم های روشنایی محلی سازی شده
• بهبود در سیستم های کنترل روشنایی برای جلوگیری از اتلاف انرژی در ساعات خالی و روشن روز

طبق آخرین مورد، ما در مورد طراحی و اجرای یک مدیریت هوشمند روشنایی ساختمان برای صرفه جویی در انرژی توضیح می دهیم. هدف ما طراحی سیستم روشنایی تا حد امکان ارزان و هم چنین نصب آسان آن است. از دیگر مزایای سیستم پیشنهادی این است که با استفاده از یک بستر شبکه، یک روشنایی هوشمند را انجام دهد تا باعث راحتی بیش تر کاربران شود. سیستم های روشنایی قبلی فقط با توجه به موقعیت رهگذر نزدیک ترین لامپ را روشن می کنند. اما این سیستم چراغ های مسیر را برای عابران پیاده روشن می کند.

معماری سخت افزار

هر گره روشنایی در شبکه روشنایی هوشمند شامل یک میکرو کنترلر، یک مدار منبع تغذیه بدون ترانسفورماتور، یک سنسور PIR1 برای تشخیص حرکات، یک سلول فوتو برای برای اندازه گیری نور محیط، یک رله برای چرخش خاموش یا روشن لامپ، و یک دستگاه ماژول ارتباطی بی سیم برای تبادل داده از طریق شبکه است. برای طراحی یک دستگاه ارزان، از ماژول بی سیم nRF24L01 کم هزینه استفاده کردیم. به منظور کاهش وزن، اندازه و هزینه دستگاه، ما از یک مدار تغذیه بدون ترانسفورماتور استفاده کردیم.

گره مدیر

بسته های مدیریت روشنایی از طریق یک رسانه بی سیم باند GHz 2/4 با استفاده از تراشه NRF24L01 و یک میکروکنترلر تشکیل شده است. این از ماژول بلوتوث برای انتقال داده ها با لپ تاپ یا تلفن های هوشمند استفاده می کند و سپس با استفاده از ماژول nRF24L01 دستور دریافتی را به گروه شبکه روشنایی می فرستد.

پروتکل مسیریابی

پروتکل های مسیریابی در شبکه های حسگر موجود است. دسته های اصلی بررسی شده عبارت اند از:

• پروتکل های مسیریابی bio inspired برای به دست آوردن کوتاه ترین و بهترین مسیر از بهینه سازی و هوش انبوه استفاده می کنند. در این پروتکل، هر گروه از مکان و محل مقصد خود آگاه است.
• مسیریابی مبتنی بر QoS: در این روش شبکه باید بین مصرف انرژی و کیفیت داده ها تعادل برقرار کند.
• مسیریابی مبتنی بر موقعیت مبتنی بر دو فرض اصلی انجام می شود. هر گره موقعیت های خود و همسایه خود را می داند و موقعیت گره مقصد برای گره منبع شناخته شده است.

در این پروژه، بر اساس اطلاعات مربوط به موقعیت جغرافیایی هر گره، الگوریتم مسیریابی مبتنی بر مکان را انتخاب کردیم. به عنوان WSN، هر گره در این سیستم هم به عنوان روتر و هم به عنوان حسگر هوشمند عمل می کند. در دو حالت نیاز به تعادل داده از طریق شبکه وجود دارد:

• پیکربندی پارامترهای سیستم روشنایی
• روشن کردن گروهی از لامپ ها هنگام تشخیص حرکت

در سناریوی اول، گره مدیر با گره ای که توسط مدیر شبکه به عنوان گره پیکربندی مشخص شده است، ارتباط برقرار می کند. وقتی گره ای داده دریافت می کند، آدرس خود و آدرس مقصد را با هم مقایسه می کند. در صورت یکسان بودن، گره بر اساس داده های دریافت شده، فرمان مناسب را اجرا می کند. اگر آدرس خود بزرگ تر از آدرس مقصد باشد، داده را به گره قبلی می فرستد در غیر این صورت، داده را به گره بعدی می فرستد. این فرآیند تا رسیدن بسته داده به آدرس مقصد تکرار می شود.

در سناریوی دوم وقتی سنسور هوشمند در شبکه حرکتی را تشخیص می دهد، دستور TURN-ON را به گروهی از گره ها می فرستد که در یک محله مشخص شده توسط پارامتر شعاع قرار دارند. ایجاد یک مسیر زائد در یک سیستم ارزان WSN بسیار مهم است، زیرا ممکن است دستگاه های بی سیم در دسترس نباشد و سایر دستگاه ها باید در این شرایط عملکرد خود را ادامه دهند. در این پروژه، RADIUS برای ساده سازی مکانیسم افزونگی و سهولت نصب، گروه لامپ هایی را که قرار است روشن شود و هم چنین گروه گره ها به عنوان هاپ های بعدی در مسیرهای مختلف زائد به سمت گره مقصد تعیین می کند.

از نظر شبکه، ساختمان به مناطق مختلفی تقسیم شده است. هر منطقه از حداکثر شانزده گره تشکیل شده است که آدرس گره ها به صورت OhF_X است که یک عدد هگزادسیمال است و X می تواند از 0 تا F متغیر باشد. با توجه به این مناطق، گره ها به دو قسمت تقسیم می شوند.

دسته بندی ها

• گره نرمال: بسته داده را در داخل منطقه خود مسیریابی می کند
• گره دروازه: هنگامی که انتقال داده باید بین دو منطقه مجاور رخ دهد، باید با برقراری ارتباط از طریق گره های دروازه آن ها انجام شود.

مکانیسم کنترل روشنایی

وقتی دستگاه هوشمند حرکتی را تشخیص می دهد، نور محیط را اندازه گیری می کند و اگر نور محیط کم تر از یک مقدار مشخص باشد، دستگاه لامپ را روشن کرده و دستور TURN-ON را به n+ گره بعدی و n- گره قبلی ارسال می کند که n+ و n- بر اساس پارامتر RADIUS مشخص شده است. به عنوان مثال وقتی شخصی وارد یک راهرو می شود، یکی از گره های روشنایی حرکت را تشخیص می دهد و اگر نور محیط کم تر از مقدار تعیین شده باشد، لامپ ها را که به آن متصل است روشن می کند و دستور TURN ON را به n+ گره بعدی و n- گره قبلی می فرستد. در این سناریو n+ و n- برابر با یک هستند. بعد از زمان مشخصی، اگر لامپ های قبلی حرکتی را تشخیص ندادند، به طور خودکار لامپ های خود را خاموش می کنند.

هنگامی که فرد به انتهای راهرو می رسد، لامپ های قبلی خاموش شده و گروه جدیدی از لامپ ها به دلیل تشخیص حرکت یکی از آن ها خاموش می شوند.

تنظیمات برنامه سیستم روشنایی

وقتی روی صفحه اندروید به سمت راست بروید، لیست گزینه ها نمایش داده می شود. این لیست شامل تنظیمات برنامه است یعنی افزودن دستگاه جدید، اتصال به دستگاه بلوتوث، تنظیم گره پیکربندی و …

برای تعریف دستگاه روشنایی جدید، روی مورد “افزودن دستگاه جدید” باید کلیک کنید و پس از آن باید یک شناسه هگزادسیمال منحصر به فرد برای آن انتخاب کنید. وقتی کاربر تایید را فشار می دهد، مورد روشنایی با آن شناسه به لیست موارد روشنایی اضافه می شود. گزینه “اتصال به دستگاه بلوتوث” برای برقراری ارتباط با گره دروازه است. کلید احراز هویت در هر دو برنامه و هر دستگاه برای احراز هویت یک دیگر تنظیم شده است، بنابراین کاربر غیر مجاز نمی تواند به سیستم دسترسی پیدا کند. گزینه “تنظیم پیکربندی” برای تعیین این که کدام گره در شبکه روشنایی باید داده ها را بین مدیر گره و سایر دستگاه ها تبادل کند، استفاده می شود. برخی از گزینه های دیگر مانند تنظیمات پیکربندی صادرات و واردات و تغییر رمز ورود به سیستم به دلایل امنیتی وجود دارد.

لیست گره

لیستی از گره های روشنایی تعریف شده را نشان می دهد. با کلیک بر روی هر مورد، تنظیمات مربوطه باز می شود. هم چنین با فشار دادن طولانی بر روی هر مورد، توابع اضافی مانند تغییر نام و حذف، قابل دسترسی هستند.

تنظیمات گره

این قسمت حاوی لیستی از تنظیمات گره است که با توجه به نیاز کاربر قابل تغییر است. این گزینه ها در سیستم های روشنایی معمول است و در ادامه عملکرد هر مورد به طور جداگانه شرح داده می شود.

• “connect directly”: با علامت زدن این گزینه، داده ها می توانند مستقیما به دستگاه روشنایی ارسال شود و نیازی به استفاده از گره دروازه نیست.
• “روشن کردن چراغ” با کلیک کردن روی آن، دستگاه روشنایی بلافاصله روشن می شود. این برای بررسی در دسترس بودن سخت افزار است.
• “زمان تاخیر”: فاصله زمانی را تنظیم می کند که دستگاه روشنایی باید بعد از آخرین حرکت، لامپ را روشن نگه دارد. پس از این مدت، لامپ خاموش می شود. ردیابی پس از این مدت خاموش می شود.
• “حساسیت به نور”: کاربر می تواند حساسیت فوتوسل را متناسب با نور محیط تعیین کند. اگر نور محیط بیش از مقدار تعیین شده افزایش یابد، کنترل کننده لامپ را روشن نمی کند.
• “محدوده شعاعی”: کاربر می تواند تعداد دستگاه های روشنایی را که باید در اطراف دستگاه فعلی روشن شود مشخص کند حداکثر تعداد 3 است.
• “تغییر حالت”: اگر کاربر بخواهد کنترلر را برای خاموش یا روشن نگه داشتن لامپ دور بزند، می تواند این گزینه را روی حالت دستی تنظیم کند.

برنامه ویندوز

علاوه بر برنامه اندوید که روی تلفن های هوشمند اجرا می شود، هم چنین یک برنامه ویندوز برای اجرا روی لپ تاپ ها نیز آماده شده است. این برنامه که در C# توسعه یافته است، عملکردهای اصلی را درست مانند آن چه در مورد برنامه اندروید توضیح داده شده، ارائه می دهد. اما به دلیل روابط کاربری قدرتمندتر که در لپ تاپ ها در مقایسه با تلفن هوشمند موجود است، برخی از عملکردهای اضافی در برنامه های ویندوز موجود است.

این ها برای مدیریت بهتر شبکه روشنایی هوشمند است. به عنوان مثال قسمت اصلی برنامه رابط کاربری ویندوز برای نمایش یک منظوره از نقشه منطقه اختصاص یافته است. در این نقشه، گره ها با هماهنگی تعریف شده، اتاق ها و راهروها در نقشه پس زمینه نشان داده می شوند. مدیر شبکه می تواند چندین نقشه را برای مناطق مختلف در یک ساختمان تعریف کند و گره ها را در مکان های مناسب قرار دهد، سپس آن ها را مانند برنامه اندروید پیکربندی کند.

نتیجه تجربی

این سیستم برای مدت سه ماه در بخش برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی اصفهان آزمایش و تایید شده است. از آن جا که از لامپ های فلورسنت در محل آزمایش استفاده شده است، ما مدارک محرک را بر اساس رله طراحی کردیم. چالش دیگر سر و صدای محیط بود که منبع تغذیه را با مشکل رو به رو کرد. برای حل این مشکل فیلتر EM13 در منبع تغذیه قرار می گیرد.

نتیجه گیری

در این مقاله سیستم روشنایی هوشمند ساختمان جدید ارائه شده است. این سیستم شامل گره های روشنایی، یک نرم افزار رایانه شخصی و یک برنامه اندروید بود. این سیستم برای استفاده گسترده در ساختمان ها ارزان و آسان نصب شده است. این سیستم علاوه بر مدیریت روشنایی، بستر ارتباطی را نیز به سمت ساختمان های هوشمند آماده کرده است. بنابراین کنترل دمای محیط سیستم اطفا حریق و … نیز می تواند توسط سیستم به روشی هوشمندانه مدیریت شود.

ما را در اینستاگرام دنبال کنید.