خانه هوشمند Bluetooth

معرفی

ارتباطات سبز مانند خانه هوشمند بلوتوث را می توان به عنوان چارچوبی برای طراحی و دفع شبکه های ارتباطی تعریف کرد که هدف آن رشد پایدار شبکه های مخابراتی از جمله شبکه های سیمی و بی سیم است. در واقع، در سال‌های اخیر، تا زمانی که زیرساخت‌ها و دستگاه‌های «هوشمندتر» جدید جایگزین زیرساخت‌های سنتی شوند، بهینه‌سازی انرژی مورد توجه محققان قرار گرفته است. علاوه بر این، به دلیل نگرانی فزاینده در مورد اثرات زیست محیطی منابع انرژی متعارف و عمر محدود سوخت های فسیلی، توجه به منابع انرژی تجدیدپذیر نیز متمرکز شده است. با توجه به اینکه در حال حاضر حدود 3 درصد از انرژی جهان توسط زیرساخت‌های فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) مصرف می‌شود که باعث انتشار حدود 2 درصد از گازهای گلخانه‌ای در سطح جهان می‌شود، تلاش‌های تحقیقاتی متعددی برای این مشکل را برطرف کرده و بر آن غلبه کنید. این مطالعات به مفهوم شبکه هوشمند به منظور تسهیل بهره‌برداری مقرون‌به‌صرفه از پتانسیل انرژی‌های تجدیدپذیر کنونی و ارائه انعطاف‌پذیری مورد نیاز به شبکه برق با کمک فناوری‌های اطلاعات و ارتباطات منجر شده است.

شبکه‌های هوشمند تکاملی از سیستم‌های توزیع برق موجود به دلیل تقاضای فزاینده انرژی، گسترش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و پیشرفت‌های جدید و نوآورانه هستند. رویکردهای مبتنی بر فناوری اطلاعات و ارتباطات. آنها هم از نظر انرژی و هم از نظر اقتصادی راه حلی کارآمد هستند. اصطلاح «شبکه هوشمند» به یک سیستم انتقال و توزیع برق اشاره دارد که عناصری از مهندسی برق سنتی و پیشرفته، فناوری سنجش و نظارت پیچیده، فناوری اطلاعات و ارتباطات را برای ارائه عملکرد بهتر شبکه و پشتیبانی از یک شبکه گسترده در بر می گیرد. مجموعه ای از خدمات اضافی برای مصرف کنندگان، مانند بهره وری انرژی، کیفیت توان و قابلیت اطمینان سیستم، که با استفاده از چندین ابزار شبکه هوشمند مانند کنتورهای پیشرفته، ارتباطات دو طرفه و تجهیزات کنترل هوشمند به دست می آید. از مطالعات و نتایج نشان داده شده در این آثار واضح است که شبکه های هوشمند می توانند نقش مشخصی در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای مانند اکسید نیتروژن، متان و دی اکسید کربن نیز ایفا کنند.

کاربردهای شبکه هوشمند شامل حوزه‌های مختلفی مانند اتوماسیون انتقال و توزیع، استفاده بهینه، تجارت کالایی برق در بازارهای رقابتی و غیره است و ساختار، اجزا و مزایای آن‌ها در ادبیات عمیق تحلیل شده است. در مشخص شده است که جریان برق در شبکه‌ها را می‌توان با به دست آوردن و سپس ارزیابی پروفیل‌های مصرف خانه‌ها با کارایی بیشتری انجام داد. این امر باعث شده است که سایر محققان بر روی “خانه های هوشمند” تمرکز کنند که می تواند به عنوان یکی از مهم ترین اجزای شبکه های هوشمند در نظر گرفته شود. خانه هوشمند یک خانه مسکونی مجهز به حسگرها و احتمالاً محرک‌ها برای جمع‌آوری داده‌ها و ارسال کنترل‌ها بر اساس فعالیت‌ها و انتظارات ساکنان است. با این حال، نقش مهمی نیز توسط مصرف کنندگان ایفا می شود زیرا همانطور که در نشان داده شده است، کاهش مصرف انرژی را می توان تنها با ارائه مشخصات مصرف لوازم خانگی به مصرف کنندگان و بر این اساس کمک به آنها برای تغییر رفتارشان به دست آورد. این رویکرد که به عنوان مدیریت سمت تقاضا (DSM) شناخته می‌شود، مبتنی بر ارتباطات دو جهته است که توسط شبکه هوشمند به منظور صاف کردن منحنی بار شبکه سنتی فعال می‌شود. برنامه های DSM بر رفتار مصرف کنندگان در مورد مصرف برق تأثیر می گذارد. در واقع، تکنیک DSM عمدتاً بر تطبیق مقادیر تولید فعلی با تقاضا از طریق کنترل مصرف انرژی لوازم خانگی و بهینه‌سازی عملکرد آنها در سمت کاربر متکی است. یک کاربرد عملی می تواند تغییر “وسایل خیس” مانند ماشین لباسشویی و ماشین ظرفشویی از زمان اوج مصرف به زمان کم مصرف باشد. به عنوان مثال، همانطور که در نشان داده شده است، از طریق بهینه‌سازی مصرف انرژی در خانه‌های هوشمند می‌توان میانگین صرفه‌جویی در مصرف برق را حدود 30 درصد به دست آورد.

سایر رویکردها بر اساس قیمت‌گذاری زمان استفاده (TOU) هستند، که در آن قیمت‌های برق برای یک دوره زمانی خاص به صورت پیش‌فرض یا پیش‌رو تعیین می‌شوند. قیمت‌های پرداختی برای انرژی مصرف‌شده در این دوره‌ها از پیش تعیین‌شده و از قبل برای مصرف‌کنندگان شناخته شده است، و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا مصرف خود را در پاسخ به چنین قیمت‌هایی تغییر دهند و هزینه‌های انرژی خود را با تغییر مصرف به دوره‌های هزینه کمتر یا کاهش مصرف کلی مدیریت کنند. همانطور که در نشان داده شده است، یک تعرفه TOU دلالت بر تقاضای برق بیشتر و مقادیر قیمت کمتر به جای یک تخت دارد، در حالی که در یک کنترل کننده مدیریت انرژی بهینه یک خانه هوشمند در صورت تعرفه DSM و TOU معرفی شده است و نتایج معقولی دارد. از نظر پس انداز اقتصادی به دست می آیند. علاوه بر این، در رویکرد پیشنهادی در یک روز به شکاف‌های زمانی متوالی با طول‌های مساوی با قیمت‌های متفاوت مصرف برق تقسیم می‌شود تا هزینه مصرف برق در خانه به حداقل برسد. در واقع، ورودی‌های مدل پیشنهادی درخواست‌های مصرف‌کننده هستند و مدل، برنامه‌ریزی بهینه دستگاه را در خروجی به منظور کاهش هزینه‌های انرژی خانه برمی‌گرداند. سیستم تعرفه TOU به منظور ارائه توزیع برابر مصرف انرژی استفاده می شود. در واقع، محدوده‌های مشخصی از ساعات با قیمت‌های متفاوت برق در روز وجود دارد و کاربران نهایی بسته به زمانی از روز که از خدمات برق استفاده می‌کنند، هزینه پرداخت می‌کنند. با این حال، کاهش قبوض پرداختی توسط کاربران بدون کاهش سطح آسایش در خانه می تواند نسبتا دشوار باشد.

شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) با استفاده از آن‌ها برای برنامه‌های کاربردی سلامت، راحتی و ایمنی، با زندگی روزمره و محیط هوشمند ما یکپارچه‌تر می‌شوند. در خانه های هوشمند و محیط های اداری، WSN ها به طور کلی برای افزایش راحتی ساکنان استفاده می شوند. از آنجایی که شبکه انرژی فعلی در حال تبدیل شدن به یک شبکه هوشمند است، جایی که مصرف‌کنندگان می‌توانند مستقیماً به مصرف خود دسترسی پیدا کرده و آن را کنترل کنند، شبکه‌های WSN می‌توانند در سیستم‌های مدیریت انرژی داخلی نیز مشارکت داشته باشند. به این دلایل، در ادبیات رویکردهای دیگری مبتنی بر WSN برای شبکه های هوشمند و خانه های هوشمند پیشنهاد شده است. در واقع، فناوری اطلاعات و ارتباطات پیشرفته، نظارت و کنترل، برداشت انرژی و فن‌آوری‌های نوآورانه اندازه‌گیری از طریق دستگاه‌های بی‌سیم هوشمند، اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کنند. به عنوان مثال، در یک طرح مدیریت انرژی خانگی مبتنی بر شبکه محلی حسگر بی سیم (WSHAN) معرفی شده است. این طرح بر ارتباط بین لوازم هوشمند و یک واحد مدیریت انرژی (EMU) از طریق شبکه بی‌سیم تمرکز دارد و تقاضاهای مصرف‌کننده در زمان واقعی پردازش می‌شوند. در مقابل، رویکردهای پیشنهادی در سود قیمت گذاری TOU را به منظور کاهش هزینه انرژی هدف قرار می دهند. هدف نویسندگان این است که بار مصرف کننده را به دوره های خارج از پیک با استفاده از WSN برای تحویل درخواست های خود به EMU منتقل کنند. با این حال، اگرچه آثار مبتنی بر WSN تحلیل شده عملکرد خوبی دارند، نویسندگان آنها زحمت انتخاب مناسب‌ترین پروتکل بی‌سیم را به خود نمی‌دهند. در واقع، انتخاب یک پروتکل بی سیم با توجه به پروتکل دیگر ممکن است دارای مزایای قابل توجه و نتایج کاملا متفاوت باشد.

برای مقابله با مدیریت انرژی خانه (HEM) که می تواند در محیط های شبکه هوشمند بهینه شود، در این مقاله یک رویکرد جدید مدیریت انرژی، به نام BluHEMS (طرح مدیریت انرژی خانه هوشمند بلوتوث)، معرفی شده است.

رویکرد پیشنهادی مبتنی بر ارتباط بین لوازم خانگی، یک واحد EMU مرکزی، یک متر هوشمند و یک واحد ذخیره سازی در داخل یک خانه هوشمند است. در واقع، آثار ادبیات تجزیه و تحلیل شده به وضوح نشان داده اند که اجرای HEM می تواند با پرداختن به نگرانی های مصرف کنندگان و خدمات آب و برق، به محیطی سودمند از نظر اجتماعی و اقتصادی منجر شود. به عنوان مثال، افزایش صرفه جویی، مدیریت بهتر بار پیک و کاهش نسبت پیک به میانگین برخی از مزایایی است که می توان با رویکرد پیشنهادی در این مقاله به دست آورد. ارتباط بین موجودات مختلف درگیر در BluHEMS بر اساس یک WSHAN با استفاده از پروتکل انرژی پایین خانه هوشمند بلوتوث (BLE) است. تازگی معرفی شده در این کار هم استفاده از یک طرح HEM است که بازخورد مصرف کننده را در نظر می گیرد و هم عمدتاً استفاده از BLE در شبکه بی سیم که ارتباط بین لوازم خانگی در BluHEMS را هماهنگ می کند. مزایای BluHEMS توسط اعتبارسنجی ها تأیید می شود، در حالی که، تا آنجا که ما می دانیم، هیچ اثری در ادبیات وجود ندارد که در آن BLE در یک شبکه بی سیم که از یک طرح HEM پشتیبانی می کند، استفاده شود.

این مقاله به شرح زیر تنظیم شده است. بخش دوم سیستم خانه هوشمند پیشنهادی را ارائه می‌کند که هم طرح مدیریت انرژی خانه و هم WSHAN را معرفی می‌کند. بخش III الگوریتم مدیریت انرژی خانه پیشنهادی را ارائه می‌کند در حالی که بخش IV نتایج شبیه‌سازی را نشان می‌دهد. در نهایت، بخش پنجم مقاله را به پایان می‌رساند و نکاتی را برای کار آینده بیان می‌کند.

سیستم خانه هوشمند پیشنهادی

قبل از معرفی الگوریتم پیشنهادی مدیریت انرژی خانه، مفهوم سیستم خانه هوشمند پیشنهادی ارائه شده است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، سیستم پیشنهادی از منابع مختلف انرژی، دستگاه های ذخیره سازی، وسایل الکتریکی، یک واحد کنترل و ابزارهای ارتباطی مرتبط تشکیل شده است. این خانه به لطف منابع انرژی تجدیدپذیر مانند توربین های بادی و پنل های فتوولتائیک خورشیدی قادر است انرژی خود را تولید کند و این انرژی را به وسیله باتری ها ذخیره می کند.

علاوه بر این، یک «ایستگاه شارژ»، نوعی اینورتر، برق جریان مستقیم را از منابع انرژی تجدیدپذیر یا باتری خانگی به جریان متناوب مورد استفاده چراغ‌ها، لوازم خانگی و دستگاه‌های خانه تبدیل می‌کند. به هر حال بدیهی است که حتی از انرژی خطوط برق فشار قوی نیز می توان استفاده کرد. با این حال، ذکر این نکته مفید است که در خانه ها از ولتاژ بالا استفاده نمی شود. به همین دلیل از ایستگاه های ترانسفورماتور خارج از محفظه برای تبدیل از فشار قوی به فشار ضعیف استفاده می شود.

لازم به ذکر است که روش پیش بینی انرژی تجدیدپذیر در این مقاله مورد توجه قرار نگرفته است زیرا هدف اصلی این کار نیست. با این حال، معرفی مختصر برخی از ویژگی هایی که باید در مراحل انتخاب و توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر مورد توجه قرار گیرند، مفید است. به عنوان مثال، در مورد توربین های بادی، ویژگی هایی مانند راندمان بالا در سرعت باد کم و قابلیت های ارتباطی و نظارت از راه دور باید در نظر گرفته شود. به همین ترتیب، رتبه‌بندی توان پنل‌های فتوولتائیک خورشیدی و مدار مبدل برق مورد نیاز برای تبدیل برق DC-AC باید به روشی مشابه انتخاب شود و بهترین زاویه برای پانل‌ها پس از رو به جنوب پنل‌ها محاسبه شود تا از پتانسیل انرژی خورشیدی بهره‌برداری شود. .

چندین وسیله الکتریکی بخشی از سیستم خانه هوشمند هستند. آنها در دوره های زمانی مختلف در هر روز بسته به روز هفته استفاده می شوند. در واقع، تفاوت های قابل توجهی در زمان استفاده از لوازم خانگی در طول روز، به خصوص بین روزهای کاری و آخر هفته وجود دارد. به عنوان مثال، یک یخچال به دلیل اصل کارکرد آن می تواند به مدت 25 دقیقه در هر 50 دقیقه فعال باشد و به طور مشابه یک کولر گازی را می توان در هر نیم ساعت فقط در ماه های تابستان به مدت 15 دقیقه کار کرد.

طرح مدیریت انرژی خانگی مبتنی بر ارتباطات ارائه شده در این کار با هدف کاهش هزینه‌های مصرف برق خانگی، کاهش قبض برق مصرف‌کننده با تغییر عملکرد دستگاه‌ها از ساعات اوج تقاضا به ساعات غیر اوج مصرف، انجام می‌شود. همانطور که در بالا ذکر شد، BluHEMS شامل ارتباطات بین لوازم هوشمند، یک EMU مرکزی و یک WSHAN است. تعامل مفهومی این موجودیت ها در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که می توان مشاهده کرد، مرکز تصمیم گیری توسط EMU نشان داده شده است.

مصرف کننده می تواند هر وسیله ای را در هر لحظه از روز روشن کند بدون اینکه در نظر داشته باشد که در آن لحظه می تواند در ساعات اوج مصرف نیز باشد. BluHEMS اجازه می دهد تا دستگاه را روشن کند یا به مصرف کننده پیشنهاد می دهد که زمان شروع مناسب تر است. در واقع، هنگامی که یک دستگاه روشن می شود، درخواستی را به EMU ارسال می کند که انرژی ذخیره شده موجود در سیستم ذخیره سازی را بررسی می کند. علاوه بر این، EMU همچنین با متر هوشمند ارتباط برقرار می کند تا از قیمت های به روز شده در آن شکاف زمانی مطلع شود. هنگامی که EMU اطلاعات مربوط به مقدار انرژی ذخیره شده را دریافت می کند، طبق الگوریتم پیشنهادی BluHEMS که در بخش III توضیح داده شده است، زمان شروع مناسبی را برای دستگاه برنامه ریزی می کند و آن را به مصرف کننده اطلاع می دهد. در این مرحله، مصرف‌کننده می‌تواند تصمیم بگیرد که آیا برنامه پیشنهادی EMU را بپذیرد، به عنوان مثال دوره زمانی در ساعات اوج کاهش می‌یابد یا سطح انرژی ذخیره‌شده کافی نیست، یا از روشن کردن دستگاه چشم‌پوشی می‌کند.

رویکرد پیشنهادی محدود به وسایلی نیست که عمدتاً به صورت مستقل و به صورت دوره‌ای کار می‌کنند، مانند یخچال، ماشین لباسشویی و غیره. در واقع، رویکرد پیشنهادی برای همه لوازم خانگی معتبر و قابل اجرا است. به عنوان مثال، با در نظر گرفتن یک مورد خاص، سیستم می‌تواند از طریق دوشاخه هوشمند پیشنهاد کند که هنگام اتصال و روشن کردن سشوار، پس از شروع به خشک کردن موها پس از دوش گرفتن، منتظر بمانید. به موجب آن، مصرف‌کننده می‌تواند هر پیشنهاد زمان‌بندی را رد کند زیرا نیاز به استفاده از سشوار در آن لحظه دارد. برعکس، مصرف‌کننده می‌تواند ترجیح دهد با موهای خیس بماند (یا آنها را با حوله خشک کند) تا چرخه دستگاه را به ساعت‌هایی تغییر دهد که قیمت برق نسبتاً پایین است. اگر وسیله ای که در نظر گرفته شده سشوار نباشد، بلکه جاروبرقی، اتو و غیره باشد، می توان نتیجه گیری متفاوتی را کسر کرد که در آن، برای مثال، در صورت موافقت مصرف کننده، می توان استفاده از آن را با توجه به زمان پیشنهادی به تعویق انداخت. توسط الگوریتم پیشنهادی این مکانیسم زمان اجرا پذیرش یا رد برنامه را می توان از طریق دوشاخه های هوشمند مدیریت کرد. در این مقاله دوشاخه های هوشمند به طور دقیق مورد تجزیه و تحلیل قرار نگرفته اند زیرا هدف اصلی ارائه کل رویکرد مدیریت انرژی است. در هر صورت، بدیهی است که در بازار چندین دستگاه وجود دارد که امکان اجرای این مکانیسم تعامل بین مصرف کننده و لوازم خانگی را که در این مقاله معرفی شده است را فراهم می کند.

حسگر بی سیم شبکه محلی

شبکه‌های بی‌سیم به دلیل مقیاس‌پذیری برای افزودن آسان وسایل جدید به سیستم، می‌توانند کاندیدای عالی برای برنامه‌های خانگی باشند. هم مصرف برق و هم مقدار زمان استفاده از هر دستگاه را می توان از طریق یک پیوند بی سیم منتقل کرد و کنترل روشن/خاموش روی بارها را می توان با “شاخه های هوشمند” موجود در بازار ارائه کرد. چندین فناوری بی سیم، مانند خانه هوشمند بلوتوث انرژی پایین (BLE) IEEE 802.15.4/ZigBee  و IEEE 802.11/Wi-Fi، که می توانند از انتقال داده از راه دور، سنجش و کنترل پشتیبانی کنند. به منظور تعبیه سطوح مختلف هوش برای خانه های هوشمند پیشنهاد شده است. این پروتکل ها می توانند از زیرساخت های موجود استفاده کنند، به هر حال یک نیاز اصلی وجود دارد که یک پروتکل بی سیم را برای استفاده در خانه های هوشمند ایده آل می کند، یعنی بهره وری انرژی. در بسیاری از موارد، گره های حسگر با باتری کار می کنند، بنابراین یک ویژگی کم مصرف یک نیاز اساسی هم برای مصرف انرژی کل خانه و هم برای صرفه جویی اقتصادی است. به همین دلیل انتخاب پروتکل بی سیم مناسب یک ویژگی کلیدی در WSHAN است.

BLE در باند ISM 2.4 گیگاهرتز با تنها 40 کانال با فاصله 2 مگاهرتز کار می کند. با استفاده از مدولاسیون GFSK قادر به انتقال با سرعت 1 مگابیت بر ثانیه است. مانند خانه هوشمند بلوتوث کلاسیک، از پرش فرکانس استفاده می کند، اما از پرش فرکانس تطبیقی ​​استفاده می کند و سرعت پایین تری دارد. BLE از 3 کانال از 40 کانال برای تبلیغات استفاده می کند که امکان کشف دستگاه را فراهم می کند. پس از کشف و اتصال یک دستگاه، از 37 کانال باقی مانده برای انتقال داده ها استفاده می شود. در یک Piconet از خانه هوشمند بلوتوث کلاسیک، هر دستگاه Master دنباله پرش فرکانس را ایجاد می کند و می تواند تا 7 اتصال Slave داشته باشد. این چنین محدودیتی در BLE وجود ندارد و در واقع، “از لحاظ نظری”، می توان “صدها” Slave را به یک گره Master متصل کرد. فواصل انتقال نسبتاً کوتاه بین وسایل برقی و مقدار محدود داده ای که باید در یک بازه زمانی مشخص منتقل شود را می توان از دیگر عوامل مهم در فرآیند انتخاب پروتکل BLE در نظر گرفت. توجه به این نکته مفید است که محدوده رادیو BLE ممکن است بر اساس کاربرد بهینه شود. اکثر دستگاه‌های خانه هوشمند بلوتوث موجود در بازار امروزی شامل برد اصلی 30 فوت (یا 10 متر) رادیو کلاسیک خانه هوشمند بلوتوث می‌شوند، اما هیچ محدودیتی در این مشخصات وجود ندارد. با BLE، سازندگان ممکن است برد را تا 200 فوت (حدود 67 متر) و فراتر از آن بهینه کنند، به ویژه در کاربردهای حسگر خانگی که برد طولانی‌تر یک ضرورت است.

معماری شبکه پیشنهادی، که در شکل 2 نشان داده شده است، توسط چندین سلول اتوماسیون خانگی بی‌سیم (WHAC) تشکیل شده است که توسط یک دستگاه BLE Master مدیریت می‌شود که همچنین به عنوان EMU عمل می‌کند و ماژول متر هوشمند را یکپارچه می‌کند. WSHAN، بر اساس BLE، توسط تمام WHAC هایی تشکیل شده است که در آن دستگاه های میدانی (FD) وجود دارد، که دستگاه های کم مصرف خانه هوشمند بلوتوث هستند که با یک کار خاص سروکار دارند یا از طریق دوشاخه های هوشمند با لوازم خانگی مرتبط هستند.

WSHAN پیشنهادی انواع موارد استفاده را امکان پذیر می کند، به همین دلیل فهرست غیر جامعی از نمونه ها در زیر ارائه شده است:

• کنترل نور: چراغ ها را می توان از هر کلیدی کنترل کرد تا نیاز به اتصالات سیمی جدید کاهش یابد. چراغ ها همچنین می توانند در پاسخ به فرمان یک کنترل از راه دور فعال شوند. علاوه بر این، هنگامی که حسگرهای حضور و درخشندگی تشخیص می‌دهند که افراد در اتاقی با نور ضعیف هستند، می‌توانند به‌طور خودکار روشن شوند.
• انرژی هوشمند: سایه پنجره ها، تهویه مطبوع، گرمایش مرکزی و غیره ممکن است بسته به اطلاعات جمع آوری شده توسط چندین نوع حسگر که پارامترهایی مانند دما، رطوبت، نور و حضور را کنترل می کنند، کنترل شود. بدین ترتیب می توان از اتلاف غیر ضروری انرژی جلوگیری کرد. علاوه بر این، می‌توان از کنتورهای هوشمند برای تشخیص پیک استفاده و هشدار به دستگاه‌های خانگی که ممکن است باعث آن‌ها شوند، استفاده کرد.
• امنیت و ایمنی: سیستم‌های امنیتی پیشرفته می‌توانند بر اساس چندین حسگر (مانند آشکارسازهای دود، حسگرهای شکستن شیشه و حسگرهای حرکت) به منظور شناسایی موقعیت‌های خطر احتمالی که اقدامات مناسب را در پاسخ ایجاد می‌کنند. به عنوان مثال، آشکارسازهای دود ممکن است هشدارهای آتش را فعال کنند.
• کنترل از راه دور: در طول سال ها، فناوری مادون قرمز برای ارتباط بی سیم بین یک کنترل از راه دور و دستگاه هایی مانند تلویزیون، تجهیزات Hi-Fi و سیستم های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع استفاده شده است. با این حال، مادون قرمز نیاز به ارتباط خط دید و فاصله کوتاه دارد. فناوری فرکانس رادیویی بر این محدودیت ها غلبه می کند.

برخی از WHAC های معماری پیشنهادی به صورت WSN رفتار می‌کنند و سپس می‌توانند به طور مداوم محیط‌ها را با تلاش کمتر انسانی نظارت کنند و کم هزینه و کم مصرف هستند. از طریق ارتباط بی سیم، گره Master داده های شناسایی شده توسط FD های قرار داده شده در داخل WHAC را دریافت و پردازش می کند. همچنین امکان ارسال دستورات کاربر یا دستورات سیستم را به گره های FD می دهد. علاوه بر این، پیوندهای بی سیم امکان ارتباط بین دستگاه های تلفن همراه (مانند تلفن های هوشمند یا تبلت ها) و WHAC ها را فراهم می کنند. به موجب آن، افراد می توانند خود را در داخل سیستم اتوماسیون خانگی احراز هویت کنند و متعاقباً داده های شناسایی شده توسط گره های حسگر را نظارت کنند و در صورت نیاز، دستوراتی را ارسال کنند.

انگیزه انتخاب پروتکل بی سیم

WSHAN پیشنهادی بر اساس پروتکل انرژی پایین خانه هوشمند بلوتوث است. این استاندارد الزاماتی مانند مصرف برق بسیار کم، هزینه کم و محدوده عملکرد مناسب برای کاربردهای داخلی را برآورده می کند. این پروتکل بی سیم به دلایل مختلفی انتخاب شده است. در واقع، خانه هوشمند بلوتوث انرژی پایین پتانسیل بالایی برای تبدیل شدن به یک فناوری مهم برای اینترنت اشیا در دستگاه های کم مصرف، کم هزینه، دستگاه های کوچک و خانه های هوشمند دارد. عدم پشتیبانی بومی از IEEE 802.15.4 در دستگاه های تلفن همراه (گوشی های هوشمند، تبلت ها، لپ تاپ ها و غیره) یک مشکل به خصوص برای موارد استفاده از موبایل یا موقتاً تلفن همراه است. اکوسیستم با تلفن‌ها، تبلت‌ها، لپ‌تاپ‌ها و لوازم جانبی تلفن، هزینه BLE را کاهش می‌دهد. با این حال، هنوز موارد کاربردی وجود دارد که در آن فناوری‌های مبتنی بر IEEE 802.15.4 به‌ویژه در مناطقی که قبلاً تأسیس شده است، استفاده می‌شود. IEEE 802.15.4 با وجود پایه نصب شده خود در انرژی هوشمند، برنامه های اتوماسیون خانه و ساختمان، در این برنامه ها نیز با رقابت BLE روبرو است. به هر حال خانه هوشمند بلوتوث انرژی پایین مصرف انرژی کمتری نسبت به IEEE 802.15.4 دارد و به همین دلیل ممکن است بهترین انتخاب در کاربردهای اتوماسیون خانگی باشد. IEEE 802.11 در دستگاه‌هایی استفاده می‌شود که در آن‌ها هزینه و توان کم اهمیت کمتری دارد و به عنوان یک ستون فقرات بی‌سیم با سایر فناوری‌های بی‌سیم ترکیب می‌شود.

خلاصه

شبکه های هوشمند تکاملی از سیستم های توزیع برق موجود به دلیل تقاضای فزاینده انرژی، گسترش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و توسعه فناوری های نوین و نوآورانه اطلاعات و ارتباطات (ICT) هستند. نصب سیستم‌های مبتنی بر شبکه‌های بی‌سیم می‌تواند نقش کلیدی در گسترش شبکه هوشمند به سمت خانه‌های هوشمند داشته باشد که می‌توان آن را یکی از مهم‌ترین اجزای شبکه‌های هوشمند دانست. در واقع، برنامه‌های نظارت و کنترل، برداشت انرژی و روش‌های نوآورانه اندازه‌گیری از طریق دستگاه‌های بی‌سیم هوشمند اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کنند. این مقاله یک رویکرد جدید مدیریت انرژی را برای خانه‌های هوشمند پیشنهاد می‌کند که یک شبکه بی‌سیم، مبتنی بر انرژی پایین بلوتوث (BLE)، برای ارتباط بین لوازم خانگی، با یک طرح مدیریت انرژی خانه (HEM) را ترکیب می‌کند. رویکرد پیشنهادی به تأثیر دستگاه‌های آماده به کار و بارهای رتبه‌بندی پرقدرت در ساعات اوج مصرف بر هزینه‌های مصرف انرژی مصرف‌کنندگان می‌پردازد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که رویکرد پیشنهادی از نظر کاهش تقاضای بار پیک و هزینه‌های مصرف برق با افزایش سطح آسایش مصرف‌کنندگان کارآمد است.

اتوماسیون خانگی یک سیستم هوشمند و کاربردی به عنوان یک سیستم واحد است که فرآیندهای خانگی را بدون ایجاد پیچیدگی غیرضروری در زندگی کاربر تسهیل می کند. دستگاه ها را می توان متصل کرد، که به نوبه خود یک مکالمه را از طریق یک واحد کنترل متمرکز متصل می کنند. که از طریق تلفن همراه قابل دسترسی است. این دستگاه ها شامل چراغ ها، لوازم خانگی هستند. سیستم های امنیتی، آلارم و بسیاری از سنسورها و یخ های دیگر. این مقاله طراحی و اجرای یک سیستم اتوماسیون خانه هوشمند مبتنی بر خانه هوشمند بلوتوث را ارائه می‌کند که از یک میکروکنترلر رابط محیطی (PIC) (16F’1937) به عنوان پردازنده اصلی استفاده می‌کند و لوازم خانگی از طریق رله‌ها به پورت‌های محیطی میکروکنترلر متصل می‌شوند. مدار در پروژه در نرم افزار Diptrace طراحی شده است. طراحی چیدمان PCB تکمیل شد. نمونه اولیه خانه هوشمند کاملاً کاربردی ساخته شد و به صورت کاربردی نشان داده شد.

معرفی

اتوماسیون خانه هوشمند عمل استفاده از دستگاه‌های دارای اینترنت برای کنترل از راه دور و خودکار لوازم خانگی در داخل و اطراف خانه شما است. می توانید از تلفن خود برای کنترل بیشتر این وسایل استفاده کنید. خانه های هوشمند با مزایای متعدد روز به روز محبوبیت بیشتری پیدا می کنند. صنایع و محققان سخت کار می‌کنند تا سیستم‌های خودکار پایدار و کم‌هزینه برای نظارت و کنترل ماشین‌های مختلف مانند چراغ‌ها، فن‌ها و موتورها بسازند. از تلفن های هوشمند می توان برای کنترل یخ های دستگاه در خانه های هوشمند استفاده کرد. سیستم های مبتنی بر پروتکل خانه هوشمند بلوتوث سریعتر از بسیاری از فناوری های دیگر هستند. خانه هوشمند بلوتوث برای ارتباط داده سریال که در آن داده ها می توانند با سرعت حداکثر 3 مگابیت در ثانیه در فاصله 10-100 متر منتقل شوند بسیار مؤثر است. سیستم‌های اتوماسیون نه تنها هدر رفت برق را در خانه کاهش می‌دهند، بلکه تلاش انسان را برای روشن و خاموش کردن لوازم خانگی کاهش می‌دهند.

اتوماسیون خانگی یکی از کاربردهای مهم فناوری های بی سیم مانند خانه هوشمند بلوتوث است. خانه ها به کنترل پیچیده ابزارهای مختلف مانند وسایل الکترونیکی نیاز دارند. لوازم خانگی را می توان از طریق بلوتوث به تلفن های هوشمند مانند ادغام کرد. بلوتوث در محدوده فرکانسی 2.4 گیگاهرتز در مسافت 100 متر با سرعت 1 مگابیت بر ثانیه کار می کند. این یک راه حل کارآمد برای کنترل فرآیند اتوماسیون خانگی است. یک میکروکنترلر می تواند به عنوان یک کنترل کننده دستگاه برای دستگاه های خانگی استفاده شود. اهمیت استفاده از پروتکل خانه هوشمند بلوتوث برای ارتباط در یک خانه هوشمند از این واقعیت ناشی می شود که. بلوتوث امروزه تقریباً در هر تلفن همراه یافت می شود. از این رو داشتن یک خانه هوشمند. در جایی که میکروکنترلر دارای بلوتوث است، این امکان را فراهم می کند تا به راحتی اکثر دستگاه ها را با کمک تلفن همراه خود کنترل کنید که می تواند هزینه زیادی را کاهش دهد. ثانیاً بیشتر خانه‌ها بیش از 200 متر مربع مساحت ندارند و پروتکل خانه هوشمند بلوتوث می‌تواند محیطی حدود 100 متر را پوشش دهد، بنابراین این فناوری مناسب برای این برنامه است.

هدف از این پروژه ساخت و پیاده سازی یک سیستم اتوماسیون خانه هوشمند با استفاده از فناوری خانه هوشمند بلوتوث و تلفن هوشمند اندرویدی برای کنترل لوازم خانگی از طریق اپلیکیشن تلفن هوشمند است. تسهیل استفاده از فناوری برای لوازم خانگی که باعث کاهش اتلاف برق و افزایش ایمنی خانه می شود. برای پیاده سازی یک سیستم اتوماسیون خانگی مطمئن و کم هزینه که بتوان از آن برای دسترسی به لوازم برقی در خانه استفاده کرد.

بررسی ادبیات

فن آوری اطلاعات را می توان در خانه های هوشمند برای کنترل وسایل مانند استفاده کرد. هدف اصلی در توسعه خانه های هوشمند این است که بتوانیم لوازم خانگی را کنترل کنیم تا زندگی مردم راحت تر شود. محققان در حال حاضر در حال بهبود فناوری پشت خانه های هوشمند هستند تا آنها را به راحتی مقرون به صرفه کنند.

خانه‌های هوشمند می‌توانند وضعیت دستگاه‌های متصل در خانه را از طریق یک رابط کاربر پسند مانند [5] به شما اطلاع دهند. برخی از مهم‌ترین فناوری‌های ارتباطی مورد استفاده در خانه‌های هوشمند شامل بلوتوث است. وایمکس شبکه بی سیم (Wi-Fi). ZigBee. و GSM برای ارتباطات سیار [5]. کار تحقیقاتی در [6] جزئیاتی را برای کنترل لوازم خانگی از طریق ارتباط بی سیم بین یک دستگاه آردوینو (خانه هوشمند بلوتوث) و تلفن همراه با استفاده از فناوری خانه هوشمند بلوتوث ارائه می دهد. در یک خانه هوشمند می توان از دو نوع ارتباط بی سیم و سیمی استفاده کرد همانطور که در [7] مشاهده می شود. بی‌سیم معمولاً بین تلفن هوشمند و میکروکنترلر اتفاق می‌افتد و بین کنترل‌کننده و یخ‌های دستگاه سیم‌کشی می‌شود. یک رابط کاربری گرافیکی نیز می تواند برای گوشی توسعه یابد. قبلاً در مورد سیستم‌های اتوماسیون خانه هوشمند که در [8] توضیح داده شد، با هزینه‌های بالا مواجه بودند. اما با گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی. دستگاه ها از نظر اندازه کوچکتر شدند و سیستم های اتوماسیون خانه هوشمند مقرون به صرفه تر و محبوب تر شدند. پروتکل های خانه هوشمند قابل استفاده شامل X10 ، ZigBee، Lon Talk و CEBus است.

به نظر می رسد همه چیز در محیط مهم است. نیاز به توسعه پایدار عامل مهمی برای آینده انسان است. اجلاس جهانی توسعه پایدار در ژوهانسبورگ در سال 2002 توجه مردم سراسر جهان را به وضعیت رو به وخامت محیط زیست ما جلب کرده است. واضح است که هیچ فردی در دنیا نمی تواند مشکلاتی را که ما در محیط زیست داریم نادیده بگیرد.

مدیریت محیط زیست توجه کارکنان مراقبت های بهداشتی را به خود جلب کرده است. مدیریت مخاطرات زیست محیطی بسیار مهم شده است. سیستم‌های اتوماسیون خانگی می‌توانند صاحبان خانه را قادر به کنترل و نظارت بر لوازم خانگی کنند. بهره‌وری انرژی به بخش بسیار مهمی از سیاست انرژی در بسیاری از کشورها تبدیل شده است، زیرا انرژی صرفه‌جویی شده در مگاوات به امنیت عرضه، قیمت انرژی پایدار و حفاظت از محیط زیست کمک می‌کند.

آژانس بین‌المللی انرژی (lEA) از بهره‌وری انرژی به عنوان «سوخت اول» یاد می‌کند و آن را منبع اصلی انرژی می‌داند. در سال 2009 تجزیه و تحلیل آنها نشان داد که تا سال 203، در صورت عدم افزایش فعالیت سیاست، دو سوم پتانسیل اقتصادی صرفه جویی در انرژی از بین می رود.

پر کردن این شکاف کارایی مستلزم آن است که صاحبان املاک تجاری و مسکونی به دریاچه اقدام کنند. تصمیمات صاحبان خانه های مجردی در مجموع بر آینده انرژی تأثیر می گذارد. نسبت بین استفاده و تولید برق یک موضوع تحقیقاتی است که توسط شبکه های هوشمند به آن پرداخته می شود. تحقیقات شبکه های هوشمند همچنین با ذخیره انرژی، یون خودکار توزیع سروکار دارد. پاسخ به تقاضا و غیره. هدف شبکه های هوشمند این است که برق را قابل اطمینان تر کنند. پیک بار اصطلاحی است که در مدیریت تقاضای انرژی استفاده می شود و به دوره ای اطلاق می شود که مصرف برق به طور قابل توجهی بالاتر از سطح عرضه است. از سیستم های مدیریت خانه هوشمند می توان برای کاهش مصرف برق و در نتیجه اوج بار استفاده کرد. سیستم هایی که خود را کنترل می کنند هوشمندتر و مستقل تر می شوند. اینترنت اشیا (IoT) می تواند به دستیابی به اتصال بهتر به ماشین ها کمک کند. سیستم ها و خانه های هوشمند اینترنت اشیاء می تواند به خانه های هوشمند متصل شود تا کنترل خانه های هوشمند را بهبود بخشد. شکل 1 انتقال از شبکه به اینترنت را نشان می دهد. به اینترنت موبایل 10 تلفن همراه و افراد و در نهایت به کارورز و کنترل اشیا و خانه های هوشمند.

دستگاه‌های موجود در خانه‌های هوشمند می‌توانند رایانه، لوازم خانگی باشند. تجهیزات صنعتی یا هر دستگاه دیگری که می توانید آدرس IP (پروتکل اینترنت) را به آن اختصاص دهید. دستگاه ها قادر خواهند بود داده ها را از طریق شبکه منتقل کنند. IoT قادر خواهد بود به نهادهای دیجیتال بپیوندد و کلاس جدیدی از عملکرد داشته باشد.

این آینده خانه های هوشمند است. در حال حاضر خانه های هوشمند می توانند با حسگرها و دستگاه های الکترونیکی متصل به مناطق خانه کار کنند. اما در آینده lotT با دستگاه‌هایی برای دستیابی به سیستم‌های اتوماسیون خانگی یکپارچه خواهد شد. سپس کنترل دستگاه ها در خانه از همه جا قابل دسترسی خواهد بود، زیرا این دستگاه ها می توانند به اینترنت متصل شوند.

شکل 1 از اینترنت مردم تا اینترنت اشیاء

انسان ها برای دستیابی به اهداف پیشرفت، فناوری هایی را توسعه داده اند. پیشرفت در فناوری منجر به بهبود ساختارهای اجتماعی شده است. انقلاب صنعتی بهبودهایی را در ساختارهای اقتصادی-اجتماعی به ارمغان آورد. اینها در هر جایی کنترل مصرف انرژی را به آنها بدهید. آنها را قادر می سازد هزینه استفاده را کنترل کنند و به بهبود مسائل زیست محیطی کمک کنند. پیشرفت در فناوری امکان خودکارسازی کارهای انجام شده توسط انسان را فراهم می کند. پیشرفت تکنولوژی می تواند منجر به کاهش مشاغل انجام شده توسط انسان شود. کارگران انسانی را می توان با فرآیندهای اتوماسیون جایگزین کرد. اگرچه فناوری ممکن است برخی مشاغل را حذف کند، اما می تواند مشاغل جدیدی را نیز ایجاد کند و علاوه بر اینها باعث ایجاد ثروت در جامعه شود.

اخیراً استفاده از فناوری خانه هوشمند در ایالات متحده افزایش یافته است. انقلاب دیجیتال منجر به یک دوره هیجان انگیز جدید در شرکت هایی شده است که با یون های اتوماسیون خانگی سروکار دارند. ارائه فناوری‌های خانگی بهبود یافته به مشتریان منجر به به هم پیوستگی. محیطی آسان به نام “خانه هوشمند”. این دستگاه‌ها مشتریان را قادر می‌سازد تا بتوانند خانه‌های هوشمند را کنترل کنند و هزینه‌های خدمات کمتری داشته باشند.

خانه‌های هوشمند همچنین می‌توانند به کاهش اثر گازهای گلخانه‌ای کمک کنند زیرا بازده انرژی را افزایش خواهیم داد. راه حل هایی وجود دارد که از فناوری اطلاعات (ICT) برای استفاده در خانه های هوشمند استفاده می کند. این راه حل ها شامل یک خانه هوشمند است که از طیف کاملی از روش های مدیریت انرژی مبتنی بر lCT استفاده می کند. آنها در مورد مسائل اندازه گیری هوشمند بحث می کنند. تعرفه های متغیر، لوازم هوشمند و اتوماسیون خانگی.

از خانه های هوشمند می توان برای کمک به سالمندان و معلولان به روشی نه مانع استفاده کرد. این می تواند به افراد مسن و معلول کمک کند تا مستقل باشند. سلامتی خوبی داشته باشند و از شرایط استرس زا به دلیل انزوا جلوگیری کنند. خانه های هوشمند می توانند حسگرها و محرک هایی داشته باشند که در یک محیط شبکه کار می کنند و داده ها را جمع آوری می کنند. پس از جمع آوری داده ها می توان از آن برای تعیین اقدامات کمکی مورد نیاز سالمندان استفاده کرد. در برخی موارد، این فناوری می تواند شامل استفاده از ایمپلنت ها در 24 ساعت شبانه روز برای کمک به افراد مسن و ناتوان باشد.

این پروژه از دو ماژول اصلی تشکیل شده است که عبارتند از: ماژول سخت افزاری که با قطعات جانبی خانه در ارتباط است و ماژول نرم افزاری که با استفاده از بلوتوث با میکروکنترلر ارتباط برقرار می کند. این سیستم از بلوتوث به عنوان پروتکل ارتباط رادیویی استفاده می کند که به عنوان رابط بین گوشی هوشمند و میکروکنترلر PIC عمل می کند.

در پروژه از میکروکنترلر PIC و ماژول بلوتوث خانه هوشمند برای کنترل کل فرآیند استفاده شده است. برنامه اندروید روی تلفن هوشمند برای ارسال دستورات به میکروکنترلر PIC استفاده می شود. از طریق بلوتوث بی سیم میکروکنترلر PIC همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است به سه رله متصل است. در این پروژه این رله ها به دستگاه های الکتریکی مختلف متصل می شوند. طبق بلوک دیاگرام، یک نوار LED 12 V DC، موتور گیت 220 VAC، لامپ یک 220 VAC و لامپ دو 220 VAC.

شکل 2 بلوک دیاگرام سیستم

شکل 3 طرح شماتیک پروژه را نشان می دهد. مدار با استفاده از نرم افزار Diptrace طراحی شده است. طرح شماتیک میکروکنترلر، رله ها، تنظیم کننده های ولتاژ و سایر اجزای جانبی را نشان می دهد.

میکروکنترلر PIC برای کنترل کل فرآیند استفاده می شود. بلوتوث به عنوان یک پروتکل برای برقراری ارتباط بین برنامه روی تلفن همراه و گیرنده در کنسول بلوتوث متصل به PIC استفاده می شود. در نتیجه. این لوازم خانگی را کنترل می کند. نمادهای روی رابط برنامه تلفن همراه همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود می توانند برای ارسال دستورات مختلف به گیرنده در کنسول خانه هوشمند بلوتوث استفاده شوند. کنسول بلوتوث با PIC ارتباط برقرار می کند که یک رله مناسب را راه اندازی می کند که می تواند “روشن” و “خاموش” دستگاه مناسب را روشن کند.

شکل 4 برنامه تلفن همراه

شکل 5 در زیر نمودار جریان را برای طراحی کد نوشته شده برای میکروکنترلر PIC نشان می‌دهد تا کنسول خانه هوشمند بلوتوث متصل به PIC و رله‌های متصل به دستگاه‌های خانگی را کار کند. اولین مرحله در نمودار جریان، ماژول خانه هوشمند بلوتوث را شروع می کند. مرحله بعدی نرخ باود ارتباط را روی 9600 b/s تنظیم می کند. سپس ولتاژ از سنسور دما به دست می آید و به یک متغیر اختصاص می یابد. سپس کنسول خانه هوشمند بلوتوث با تلفن هوشمند ارتباط برقرار می کند. سپس مقدار دما روی تلفن هوشمند نمایش داده می شود.

هر تنظیمی که از تلفن هوشمند به کنسول خانه هوشمند بلوتوث ارسال می‌شود و سپس میکروکنترلر برای تعیین چرخه کار برای کنترل رله‌های متصل به دستگاه‌های جانبی استفاده می‌شود.

نتایج

هنگامی که کاربر “آیکون دکمه نوار LED” را در برنامه فشار می دهد، نوار LED “روشن” می شود. نوار LED را می توان با فشار دادن مجدد نماد “خاموش” کرد. همین روند برای کنترل سایر دستگاه ها دنبال می شود. فرآیند در جدول I در زیر خلاصه شده است.

ما باید از محیط زیست خود در برابر بسیاری از چیزهای مضر در جهان مانند آلودگی محافظت کنیم. صرفه جویی در انرژی برای حفظ زیبایی طبیعت ما باید شروع به صرفه جویی در برق و سایر انرژی های مصرفی کنیم. می‌توانید با برنامه‌ریزی زمان «روشن و خاموش» همه وسایل برقی در مصرف برق صرفه‌جویی کنید، استفاده از سبد خرید فناوری IoT به شما امکان می‌دهد تا زمانی که دستگاه‌های خانه‌های هوشمند دارای یک دستگاه هستند، دستگاه‌هایی را که از مکان‌های دور استفاده نمی‌شوند، تغییر دهید. آدرس IP به آنها لینک شده است.

این امر می تواند منجر به کاهش مصرف انرژی در خانه ها شود.

نتیجه

این پروژه در مورد طراحی و اجرای کم هزینه گزارش می دهد. راه حل انعطاف پذیر و بی سیم برای اتوماسیون خانگی با استفاده از میکروکنترلر PIC، برنامه اندروید و پروتکل خانه هوشمند بلوتوث. این بررسی مختصری در مورد انواع مختلف سیستم‌های اتوماسیون خانگی ارائه می‌کند، دستگاه‌های اتوماسیون خانگی در این مقاله با استفاده از یک برنامه اندرویدی روی تلفن همراه و پروتکل خانه هوشمند بلوتوث بی‌سیم کنترل می‌شوند. دستگاه های موجود در نمونه اولیه به میکروکنترلر PIC متصل می شوند. این دستگاه ها را می توان از راه دور روشن و خاموش کرد و به راحتی در مصرف برق صرفه جویی کرد. دستگاه های خانگی کنترل شده در این پروژه شامل لامپ ها، LED و موتور دروازه هستند. محققان در سراسر جهان در حال کار بر روی یکپارچه سازی فناوری در خانه هستند. اتوماسیون برای هوشمندتر کردن دستگاه ها و ویژگی های غنی تر.