Eficienta Energetica

Cuprins

1. Introducere

1.1 De ce iluminatul stradal?

2.

2.1 Concept Smart Lighting

2.2 Formularea problemei

2.3 Soluții existente

3.Tehnologii folosite

3.1 Soluții hardware

3.1.1 Automate Programabile

3.1.2 Microcontrolere

3.1.3 Regulator tensiune

3.1.3 Senzori de proximitate

3.2 Soluții software

3.2.1 Connected Components Workbench

3.2.2 Arduino IDE

3.2.3 NI LabVIEW

4.

4.1 Descrierea funcționalității sistemului

4.2 Sisteme de control

4.3 Sistem inteligent de control al stâlpilor de iluminat public bazat pe agenți inteligenți

4.3.1 Arhitectură

4.3.2 Funcționalitate

4.3.3 Implementare

4.3.4 Îmbunătățiri ce pot fi aduse sistemului

4.4 Sistem inteligent de control al iluminatului stradal cu supervizor

4.4.1 Arhitectură

4.4.2 Funcționalitate

4.4.3 Implementare

5. Concluzii

Bibliografie

Lista Figurilor

Fig. 3.1 Structura tipică a unui automat programabil 13

Fig. 3.2 Semnificația pinilor automatului programabil 17

Fig. 3.3 Funcționalitate pini Arduino PRO MICRO 22

Fig.3.4 Schemă electrică regulator tensiune 23

Fig. 3.5 Device Toolbox 25

Fig. 3.6 Interfață configurare automat programabil 26

Fig. 3.7 Project organizer 26

Fig. 3.8 Exemplu Front pannel LabVIEW 28

Fig. 3.9 Exemplu block diagram LabView 28

Fig. 4.1 Arhitectura funcțională a unui sistem de conducere autonom 30

Fig.4.2. Exemplu arhitectură sistem distribuit de conducere 32

Fig.4.3 Arhitectură sistem inteligent de control al iluminatului public 33

Fig. 4.4 Schema logică de funcționare a modulului 35

Fig. 4.5 Schema bloc a modulului de control al iluminatului 36

Fig. 4.6 Schema electrică a modulului de control al fluxului luminos 37

Fig. 4.7 Footprint circuit integrat 37

Fig. 4.8 Schemă electrică de conectare a fotorezistorului la Arduino 38

Fig. 4.9 Multiceiver nRF24L01 41

Fig.4.10 Arhitectura sistemului de control cu supervizor propus pentru controlul iluminatului public 44

Fig. 4.11 Schema logică de funcționare a unui modulul de control a intensității luminoase a sursei de lumină 46

Fig. 4.12 Interfața modul control al surselor de lumină 47

Lista tabelelor

Tabel 3.1 Împărțirea pinilor automat programabil Micro 820 15

Tabel 3.2 Caracteristici automat programabil Micro820 17

Lista acronimelor

CCW – Connected Components Workbench

FBD – Function Block Diagram

GSM – Global System for Mobile comunication

HMI – Human Machine Interface

I/O – Input/Output

IDE – Integrated Development Enviroment

IL – Instruction List

IoT – Internet of Things

IP- Internet Protocol

LED – light-emitting diode

LD – Ladder Diagram

LCD – liquid-crystal Display

PLC – Programable Logic Controller

PWM – pulse width modulation

PIR – passive infrared

RTU – Remote Terminal Unit

SDRAM – synchronous dynamic random-access memory

SFC – Sequential Function Chart

SMD – surface mounted device

ST – Structured Text

TCP/IP – Transmission Control Protocol

USB – Universal Serial Bus

Introducere

Eficiența energetică reprezintă elementul central al tranziției UE către o economie eficientă din punctul de vedere al utilizării resurselor și al îndeplinirii Strategiei 2020 pentru o creștere inteligentă, durabilă și favorabilă incluziunii. Aceasta include trei obiective majore complementare în domeniul energiei și climei până în 2020:

reducerea cu 20% a emisiilor de gaze cu efect de seră comparativ cu 1990,

obținerea energiei primare în proporție de 20% din surse regenerabile de energie,

atingerea unor economii de energie primară de 20% raportă la previziunile din 2007 pentru 2020.

Un domeniu cheie de investiții în eficiența energetică îl reprezintă iluminatul stradal, unde nu există doar ocazii majore de reducere semnificativă a consumului de electricitate, ci și beneficii suplimentare asociate eliminării treptate a tehnologiilor dăunătoare pentru mediu, reducând cheltuielile de întreținere și realizând un control de ansamblu mult mai bun asupra iluminatului stradal.

1.1 De ce iluminatul stradal?

Iluminatul stradal este un serviciu public esențial furnizat de autoritățile publice la nivel local. Un iluminat bun este esențial pentru siguranța rutieră, siguranța personală și ambianța urbană. Iluminatul stradal asigură vizibilitate în întuneric pentru autovehicule, biciclete și pietoni, reducând astfel numărul accidentelor rutiere.

De asemenea, iluminatul stradal facilitează indirect prevenirea infracțiunilor prin sporirea sentimentului de siguranță personală, precum și a securității proprietăților publice și private adiacente. De asemenea, efectele iluminatului stradal pot face mai atrăgătoare orașele și comunitățile, precum și centrele comerciale și culturale, evidențiind reperele locale atractive sau accentuând atmosfera în cursul unor evenimente publice importante.

Cu toate acestea, multe instalații de iluminat stradal sunt depășite și, prin urmare, foarte ineficiente. Aceasta conduce la un necesar energetic și niveluri de întreținere mai ridicate. Pentru o serie de autorități locale, cu sisteme depășite, iluminatul stradal poate reprezenta până la 30-50% din consumul total de energie al acestora.

2.

2.1 Concept Smart Lighting

Smart Lighting este un concept în domeniul iluminatului cu aplicații orientate către eficiența energetică. Sistem ce poate conține echipamente de mare precizie și module de control automat ce interacționează cu mediul înconjurător și iau decizii în privința comportării sistemului în funcție de anumite condiții, cum ar fi circulația și vizibilitatea din zona respectivă.

Controlul inteligent al iluminatului ( Smart Lighting Control) se referă la un sistem ce controlează nivelul fluxului luminos al corpurilor de iluminat dintr-o clădire. Se bazează pe detecția prezenței oamenilor în zona pe care o controlează pentru a lua decizii.

Făcând o comparație între intervalele de timp în care sursele de lumină funcționează într-o clădire de birouri și perioadele de timp în care există persoane care au nevoie de lumina produsă de acestea, observăm ca există multe pierderi prin iluminarea fără motive ale unor încăperi. Motivul principal pentru care sistemele de control al iluminatului au fost create este acela de a ajuta la reducerea consumului de energie electrică prin eliminarea acestor pierderi.

Iluminat Stradal Inteligent (Smart Street Lighting) este un concept ce se referă la un sistem de iluminat stradal adaptiv (Adaptive Street Lighting), ce reduce intensitatea luminoasă cât timp nu este detectată mișcare în apropiere și crește luminozitatea când este detectată prezența. Acest sistem este diferit față de cele tradiționale, staționare, sau cele care permit reducerea iluminatului într-un interval de timp prestabilit.

Avantajele principale:

Reducerea consumului de energie, deoarece sistemul nu funcționează la capacitate maximă în intervalele cu activitate scăzută

Creșterea autonomiei surselor de iluminat

Reducerea emisiilor de CO2

Asigurarea siguranței comunității, deoarece luminile nu vor fi oprite complet, ci vor asigura o vizibilitate minimă necesară. Se poate spune chiar că siguranța este crescută, întrucât sistemul se activează la detectarea oricărei activități în zonă.

2.2 Formularea problemei

Municipalitățile europene încearcă din ce în ce mai mult să își îmbunătățească și să reducă costurile serviciilor pe care le oferă cetățenilor săi, în special în momente de austeritate cum au fost în ultimii ani în majoritatea țărilor europene. Iluminatul public reprezintă cel mai important factor de pe facturile de energie electrică ale unui oraș, reprezentând circa 60% din totalul consumului. În Europa există mai mult de 90 de milioane de lămpi tradiționale de iluminat stradal, peste 75% din instalații fiind mai vechi de 25 de ani. Așadar există mari oportunități pentru reducerea consumului de energie electrică la nivel european.

Uniunea Europeana a stabilit o țintă foarte ambițioasă de a reduce, până în anul 2020, energia necesară iluminatului public cu cel puțin 20%. Astfel, încurajează dezvoltarea de noi tehnologii în acest sens și adoptarea acestora de către marile orașe.

Strategiile de economisire a energiei electrice folosite pentru iluminat pot fi împărțite în două categorii care urmăresc îndeplinirea următoarelor obiective:

Eficiență – prin înlocuirea instalațiilor existente cu echipamente noi, mai performate.

Eficacitate – investirea în sisteme de control al iluminatului, pentru a evita risipa de energie, și adoptarea unor sisteme de management tehnic al instalațiilor, pentru mentenanță și măsurători.

În momentul de față lămpile de iluminat stradal bazate pe tehnologii LED/OLED oferă cele mai mari oportunități pentru atingerea obiectivelor propuse de Comisia Europeana. Sunt considerate cele mai inovatoare tehnologii de pe piață întrucât oferă o calitate superioară și performanțe vizuale mult mai bune. În combinație cu sisteme inteligente de control al iluminatului stradal, este preconizat că lămpile bazate pe tehnologiile LED/OLED pot reduce consumul de energie electrică cu până la 60% și se va simți o reducere considerabilă a costurilor de mentenanță față de cele ale sistemelor actuale.

Având în vedere costul ridicat al acestor lămpi și performanțele destul de bune ale instalațiilor folosite deja în unele orașe, o investiție majoră în echipamente noi nu este justificată. Astfel pentru a duce îmbunătățiri instalației deja existente, ne vom concentra pe un sistem de control și monitorizare al iluminatului stradal, ce va aduce economii importante la facturile de energie electrică ale orașului.

Lucrarea de față urmărește dezvoltarea unui astfel de sistem de control. În acest sens trebuie tratate următoarele aspecte:

Analiza sistemului actual de iluminat și identificarea problemelor ce trebuiesc îmbunătățite.

Cercetarea tehnologiilor existente pe piață și analiza modelelor sistemelor deja implementate

Descrierea funcționalității sistemului de monitorizare și control

Alegerea arhitecturii sistemului de control folosit

Alegerea tehnologiilor hardware și software utilizate

Iluminatul stradal este un serviciu public important pentru siguranța și ambianța urbană ce trebuie asigurat de autoritățile locale. Pentru a justifica importanța îmbunătățirii acestui serviciu vom lua în considerare următorii factori:

Factori financiari:

Economiile provenite din implementarea unui astfel de sistem nu se referă doar la reducerea considerabilă a energiei utilizate prin eliminarea consumului nejustificat, ci și la reducerea costurilor cu întreținerea prin creșterea autonomiei sistemului.

Factori ecologici:

Directivele Parlamentului European în acest domeniu , stabilesc câteva cerințe de proiectare ecologică aplicabile produselor consumatoare de energie.

Factori tehnologici:

Tehnologiile mai vechi nu se ridică la capacitățile tehnologiilor actuale, mai avansate. În cazul lămpilor incandescente , 90% din energia consumată generează căldură și doar 10% se transformă în lumină. De exemplu, o lampă cu incandescență tradițională de 100 de wați generează lumină vizibilă la circa 17 lumeni pe watt, în timp ce lămpile fluorescente compacte pot genera între 60 și 75 de lumeni pe watt lămpile cu LED-uri pot genera peste 100 de lumeni pe watt.

Sistemele inteligente de control creează un potențial suplimentar de economisire, deoarece nivelul iluminatului stradal poate fi redus în funcție de cerințe.

Factori de siguranță

Un aspect important de care trebuie să ținem cont în proiectarea sistemului de iluminat este asigurarea vizibilității pe timp de noapte astfel încât circulația pietonilor și a vehiculelor să se producă în condiții de siguranță. Orașele au mai multe zone de interes major, care sunt de obicei foarte aglomerate, mărginite de zone rezidențiale în care circulația nu este atât de intensă, iar iluminarea foarte bună nu este necesară decât în între anumite intervale orare.

Soluții existente

General Electric LightGrid

Cei de la General Electric au implementat un sistem de control wireless al iluminatului stradal nute 100 de lumeni pe watt.

Sistemele inteligente de control creează un potențial suplimentar de economisire, deoarece nivelul iluminatului stradal poate fi redus în funcție de cerințe.

Factori de siguranță

Un aspect important de care trebuie să ținem cont în proiectarea sistemului de iluminat este asigurarea vizibilității pe timp de noapte astfel încât circulația pietonilor și a vehiculelor să se producă în condiții de siguranță. Orașele au mai multe zone de interes major, care sunt de obicei foarte aglomerate, mărginite de zone rezidențiale în care circulația nu este atât de intensă, iar iluminarea foarte bună nu este necesară decât în între anumite intervale orare.

Soluții existente

General Electric LightGrid

Cei de la General Electric au implementat un sistem de control wireless al iluminatului stradal nu mit LightGrid, iar primul oraș care s-a bucurat de această tehnologie este Los Angeles, unde sistemul a fost testat pe parcursul anului 2013.

LightGrid încorporează tehnologii care permit controlul de la distanță și monitorizarea în timp real prin intermediul unei aplicații web. Sistemul a fost proiectat luând în considerare observațiile făcute de mai multe autorități locale și de ministerul transporturilor american asupra acestui subiect:

Funcționalitate:

Sistem de monitorizare a consumului de energie electrică

Modul GPS integrat pentru localizarea nodurilor

Modul individual de control pentru fiecare sursă de lumină

Aplicație online de monitorizare

Rețea de comunicație wireless de transmisie a consumului de energie din sistem și de semnalare a avariilor.

Extinderea rețelei se face fără a fi nevoie de echipamente intermediare.

Arhitectură:

Un stâlp de iluminat reprezintă un nod în sistem.

Un nod (A) este cuprinde un modul de control al intensității lămpii, un modul de măsurare a consumului de energiei consumate, un modul GPS pentru poziționare și un modul de comunicație wireless cu un nod central (B).

Nodul central (gateway) preia informații de la nodurile aflate în raza sa de acțiune și face transmisia către un server (C) prin comunicație GSM sau Ethernet unde sunt stocați parametrii de funcționare ai rețelei.

Aplicația de monitorizare online (D) interoghează baza de date de pe server pentru a oferi informații relevante utilizatorului.

Prin intermediul aplicației utilizatorul poate să controleze nivelul iluminării diferențiat pe zone de interes sau pe intervale orare.

Fig. 2.1 Arhitectura GE LightGrid

Sistem inteligent de iluminat stradal TU Delft

În anul 2011 Delft University of Technology a testat un sistem inteligent de iluminat în campusul universității. Sistemul cuprinde surse de iluminat bazate pe tehnologii led, senzori de prezență și comunicație wireless. În urma testelor, universitatea a realizat economii de până la 70% la facturile de energie electrică. Sistemul a fost realizat de Chintan Shah, care a câștigat în anul 2010 o competiție organizată de inovație în eficiența energetică organizată campusul facultății cu

Sistemul cuprinde module de diminuare a intensității luminoase. Acestea comunică wireless între ele pentru ca în momentul în care apare o persoană în zonă, luminile să se aprindă la intensitatea normală.

Sistemul pilot a avut mare succes, iar acum dezvoltatorull-a scos pe piață prin compania Tvilight.

Arhitectura sistemului:

CitySense: rețea wireless de senzori de mișcare. Trimite notificări către centrul de monitorizare cu privire la parametrii sistemului ți defectele acestuia.

SkyLite: modul pentru controlul fluxului luminos al surselor. Preia informașii de la rețeaua de senzori pentru controla intensitatea luminilor.

CityManager: aplicație web de monitorizare și control de la distanță.

Programare de la distanță a luminilor stradale, pe grupuri

Statistici privind consumul de energie, traficul din zonă și defecte.

Raportarea erorilor și planificarea acțiunilor de mentenanță

Platformă ce poate integra și alte aplicații de la alți furnizor.

Fig. 2.2 Arhitectură Tvilight Smart Control for Street Lighting

Sistemul cuprinde o rețea wireless, ce funcționează folosind protocolul ZigBee, și este controlat de la distanță printr-o aplicație online. Se poate realiza controlul luminilor individual sau pe grupuri folosind orice browser Web. Rețeaua de senzori este activată de pietoni, bicicliști și autovehicule. În momentul detecției nodurile comunică între ele pentru a genera un control dinamic al sistemului, acesta urmărind traficul, creând un cerc de lumină în jurul acestuia.

3.Tehnologii folosite

3.1 Soluții hardware

3.1.1 Automate Programabile

Automatele programabile (Programable Logic Controllers – PLCs) sunt sisteme de calcul special proiectate pentru controlul proceselor industriale și fac parte din familia sistemelor de control în timp real.

Din punct de vedere hardware ele au în componență:

Unitate centrală de procesare – microprocesor sau microcontroler

Memorie internă pentru stocare internă a instrucțiunilor necesare implementării diferitelor funcții specifice

Puncte de intrare – semnale de intrare provenite de la echipamentele instalate în câmp și de la interfețele om-mașină

Puncte de ieșire – semnale de comandă pentru elementele de execuție și semnale de avertizare către interfețele om-mașină

Module de interfațare cu diferite dispozitive

Fig. 3.1 Structura tipică a unui automat programabil

Mediile de programare al automatelor diferă de la un producător la altul, dar pentru programarea efectivă se folosesc aceleași limbaje de programare, singurele diferențe între diferite medii de programare fiind funcțiile predefinite.

Standardul IEC1131-3 definește cinci limbaje de programare a automatelor programabile:

Ladder Diagram (LD) – inspirat din schemele electrice convenționale

Instruction List (IL) – inspirat din limbajele de asamblare utilizate pe diverse platforme hardware existente

Structured Text (ST) – limbaj de programare asemănător cu limbajele Pascal sau C

Function Block Diagram – conține funcții bloc predefinite care fac procesarea datelor în funcție de semnalele conectate la intrările blocurilor și comandă ieșirile automatului sau calculează variabile interne

Sequential Function Chart (SFC) – inspirat din standardul francez Grafcet, bazat pe o variantă a unei clase de Rețele Petri.

Alegerea limbajului de programare folosit depinde de preferințele programatorului, care trebuie să țină cont de câteva restricții cu ar fi faptul că unele echipamente nu suportă toate limbajele de programare, ci doar două sau trei dintre ele; de obicei FBD și LD sunt disponibile pe toate automatele programabile.

La implementarea unei noi aplicații trebuie să studieze avantajele și dezavantajele fiecărui limbaj pentru a alege varianta cea mai fezabilă, unele limbaje sunt mai ușor de folosit, dar nu permit implementarea anumitor funcții, sau memoria necesară este prea mare în comparație cu cea de care dispune automatul. De exemplu limbajul SFC este cel mai ușor de folosit fiind format din blocuri de instrucțiuni ce se execută secvențial, însă în cazul programelor de dimensiuni mari poate consuma foarte multe resurse. LD este limbajul care folosește cele mai puține resurse însă este mai greu de urmărit firul execuției instrucțiunilor.

Avansul tehnologic sporit înregistrat în ultimii ani i-a determinat pe marii producători de echipamente hardware destinate mediilor industriale să se orienteze și spre producția de echipamente destinate controlului microaplicațiilor.

Concepte precum Micro Smart Grids, Smart House sau Internet of Things (IoT) au generat un nou segment al aplicațiilor de control ce nu se mai concentrează pe aplicații industriale ci pe microaplicații pentru managementul clădirilor sau crearea clădirilor inteligente bazate pe tehnologii IoT, controlul rețelelor de cartier, automatizarea serelor sau a rețelei de iluminat stradal, și altele. Aceste aplicații nu au nevoie de procesare complexă, așadar se dorește folosirea de componente la prețuri mai mici care oferă doar anumite funcționalități, specifice fiecărei aplicații.

Pentru implementarea practică am ales să folosesc automate programabile Allen Bradley din seria Micro800 de la Rockwell Automation.

Caracteristicile serie de automate programabile Micro800:

Comoditate si conectivitate

Componente și accesorii comune

Programare rapidă prin portul USB Integrat

Protocoale de comunicații Ethernet, Serial și DeviceNet

Gamă largă de automate programabile de mici dimensiuni (10-40 puncte de intrări/ ieșiri integrate

Automatele pot fi extinse pentru a avea un număr mai mare de puncte de intrări/ieșiri și pentru a le personaliza astfel încât să ofere funcționalitățile de care avem nevoie.

Proiectat pentru aplicații de sine stătătoare.

Ușor de instalat și programat

Respectă standardul IEC 61131-3

Permite utilizatorului să își definească funcții bloc pentru refolosirea codului (User Defined Function Blocks)

Suportă limbajele de programare ST, LD și FBD

Un singur mediu de programare pentru toate produsele seriei

Mediul de programare Connected Components Workbench (CCW) se poate descărca gratuit de pe pagina de internet a producătorului (există variante în mai multe limbi)

Oferă utilizatorului conectivitate mai rapidă cu toate componentele

În urma analizei catalogului de produse am ales automatul Micro820 care oferă funcționalitățile necesare implementării unei platforme de test a sistemului de control propus.

Caracteristici:

20 de puncte de proces

Programarea se face folosind Connected Components Workbench

Comunicație Ethernet/IP pentru comunicația cu mediul de programare CCW și pentru interfațarea om-mașină (HMI)

Poate funcționa ca RTU (Remote Terminal Unit) în aplicații SCADA prin comunicație serială sau Ethernet

Semnal ieșire PWM la 5kHz pentru controlul solenoizilor (bobine electrice) sau al vanelor

Ceas în timp real integrat (Real Time Clock)

Port pentru card MicroSD

Două porturi pentru atașarea unor module de intrări/ieșiri.

Există trei modele ale automatului programabil. Diferențele între acestea constau în tipurile de intrări și ieșiri.

Tabel 3.1 Împărțirea pinilor automat programabil Micro 820

Pentru aplicația practică am folosit modelul 2080-LC20-20QQBB(R).

În figura 3.2 se poate observa semnificația pinilor modulelor de intrare ieșire integrate pe automatul programabil și semnificația pinilor portului serial.

Fig. 3.2 Semnificația pinilor automatului programabil

Tabel 3.2 Caracteristici automat programabil Micro820

Accesorii:

Sursă externă 24V AC

Module I/O suplimentare (analogice, digitale)

Micro800 Remote LCD Display

HMI simplu cu 4 sau 8 linii de text ASCIIți tastatură

Comunicație serială pentru comunicația cu automatul

Port USB integrat pentru încărcare/ descărcare program automat; poate fi folosit și pentru depanare software (debugging)

Pe lângă multiplele funcționalități și diferitele posibilități de interfațare cu alte produse din familia sa, principalul motiv pentru care am ales acest automat este tipurile de comunicații pe care le suportă:

Port serial RS232/RS485

Modbus RTU Master and Slave

CIP Serial Client/Server

ASCII

Port Ethernet 10Mbps/100Mbps

EtherNet/IP Client/Server

Modbus/TCP Client/Server

DHCP Client

Cel mai important pentru implementarea practică este comunicația Modbus/TCP pentru interfațarea automatului programabil cu mediul grafic de dezvoltare NI Labview.

Modbus TCP/IP are aceeași funcționalitate ca și Modbus RTU, singura diferență fiind faptul că folosește o interfață TCP care comunică prin portul Ethernet pentru a trimite date între dispozitive compatibile. Așadar se folosește o rețea fizică (ethernet) și un protocol de comunicație în rețea (TCP/IP) pentru a trimite date printr-o metodă standard de reprezentare a acestora (modbus).

Automatele programabile din seria Micro800 folosește nume simbolice de variabile în loc de adrese de memorie fizice pentru maparea datelor, ceea ce nu permite comunicația Modbus. Însă, prin mediul de dezvoltare CCW se pot atribui variabilelor adrese fizice suportate de modbus. Exemplu: variabilei InputSenorA i se va atribui adresa 100001 conform standardului Modbus.

3.1.2 Microcontrolere

Un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Microcontolerele sunt destinate aplicațiilor cu sisteme de calcul încorporate aproape invizibile pentru utilizator, așa-zisele sisteme integrate (Embedded Systems). Principalele domenii de utilizare sunt industria auto (diagnoză, sistem de alarmă, etc.), electronice de consum (sisteme audio, televizoare, camere video, etc.) aparatura electrocasnică, industria aerospațială, controlul mediului și climatizare, etc.

În momentul actual există o mulțime de soluții ce pot satisface necesitățile utilizatorilor. Alegerea microcontrolerului se face comparând cerințele funcționale ale aplicației și caracteristicile hardware și software ale microcontrolerelor.

Pentru realizarea practică a platformei de test a sistemului inteligent de control al iluminatului am ales să folosesc o placă de dezvoltare cu microcontroler. În urma analizei soluțiilor existente pe piață în funcție de performanțele hardware, preț, robustețea sistemelor, posibilitatea de scalare și documentația oferită pentru implementarea diferitelor aplicații, am ales să testez două plăci de dezvoltare:

Arduino

Arduino este o platformă open-source folosită pentru realizarea de prototipuri hardware a diverselor sisteme integrate. Placa de dezvoltare construită în jurul micrcontrolerelor ATmega, oferă o flexibilitate foarte mare putând integra o varietate mare de senzori si elemente de execuție. Mediul de programare este simplu de folosit, limbajul de programare fiind inspirat după limbajul C, și oferă o gamă largă de biblioteci pentru a satisface cerințele oricărei aplicații. De asemenea oferă o documentație bogată cu multe exemple de implementări hardware și software.

Inițial platforma a fost gândită ca o soluție ieftină pentru studenți de a realiza diferite proiecte practice. Deoarece s-a bucurat de o popularitate foarte mare în rândul pasionaților de electronică aplicată, s-a format o comunitate foarte mare care susține dezvoltarea platformei hardware, cât și a mediului de dezvoltare Arduino IDE (Integrated Development Enviroment).

Raspberry Pi

Raspberry Pi se bucură de aceeași popularitate ca și platformele Arduino, fiind de asemenea o platformă open-source și este susținută de mai multe comunități de dezvoltatori.

Placa de dezvoltare Raspberry Pi are o arhitectură comparabilă cu cea a unui calculator personal cu performanțe scăzute. Principalele avantaje sunt:

poate fi interfațată cu monitor, tastatură și mouse

poate să ruleze mai multe versiuni de sisteme de operare bazate pe distribuții de linux

Flexibilitate mare oferită de către sistemul de operare programatorilor experimentați în limbaje precum Phyton

Din punct de vedere al performanțelor hardware, placa de dezvoltare Raspberry Pi este net superioară celei Arduino. Folosește microprocesoare din familia ARM11, dispune de unitate grafică de procesare integrată are memorie integrată (SDRAM) de 256 sau 512MB (împărțită cu procesorul).

Totuși, am ales ca pentru aplicația finală să folosesc o placă de dezvoltare Arduino, deoarece îndeplinește toate cerințele hardware necesare, mediul de dezvoltare este mult mai simplist și mai ușor de folosit și oferă posibilitatea scalării sistemului în cazul unei posibile extensii a acestuia.

Am folosit modelul Arduino PRO MICRO pentru implementare. Acest model este disponibil în două variante: cu tensiune de funcționare de 3,3 V și frecvența de ceas de 8MHz sau cu tensiune de alimentare de 5V și frecvența de ceas de 16 MHz. A doua variantă este asemănătoare ca structură și performanțe cu modelul Arduino Leonardo, dar are dimensiuni mult mai mici, aproximativ 1,78cm x 3,3 cm.

Descriere hardware Arduino PRO MICRO:

Microcontroler ATmega 32U4

Tensiunea de funcționare 3.3V sau 5V

Tensiunea de intrare 3.35-12V sau 5-12V

Pini de intrare ieșire după cum se poate observa în figura 3.3 placa de dezvoltare dispune de 18 pini multifuncționali, dintre care se pot identifica 12 pini digitali, 9 pini analogici și 5 PWM

Conexiune serială prin pinii Rx și Tx.

Fig. 3.3 Funcționalitate pini Arduino PRO MICRO

3.1.3 Regulator tensiune

Pentru controlul surselor de lumină am folosit un regulator de tensiune pentru modificarea tensiunii de alimentare a surselor de lumină.

Reglarea tensiunii se face cu ajutorul unui tranzistor MOSFET și o punte redresoare, folosind impulsuri modulate în durată (PWM) generate de placa de dezvoltare Arduino.

Componente:

Optocuplor

Tranzistor MOSFET

Punte redresoare

Didă zener (stabilizatoare)

Fig.3.4 Schemă electrică regulator tensiune

Circuitul este alimentat la 230V c.a. Puntea redresoare transformă curentul alternativ în curent continuu. Acesta intră în drena tranzistorului MOSFET(Q1). Când Q1 conduce, curentul iese prin sursa acestuia și intră din nou în putea redresoare și se închide circuitul, aprinzând becul.

În momentul în care Q1 conduce, doi pini ai punții redresoare se conectează între ei, astfel diodele punții se vor conecta în paralel două câte două. Dioda D6, rezistența R5 și condensatorul C2 asigură în acest moment că prin circuit trece curent continuu.

Dioda zener D1 este folosită pentru a asigura un curent de 10V pe pinul 6 al optocuplorului.

Rezistența R1 este folosită pentru a proteja ledul din interiorul optocuplorului limitând curentul de pe pinul 1 al acestuia. Când ledul din interiorul optocuplorului se aprinde, și tranzistorul din interiorul optocuplorului se va deschide. Curentul ce iese pe pinul 4 al optocuplorului intră în poarta lui T1 care va conduce curentul. Dacă tranzistorul din interiorul optocuplorului nu se deschide, atunci rezistența R2 trage poarta lui T1 la 0V (nu va mai conduce curentul).

Controlul tensiunii se face cu ajutorul impulsurilor modulate în durată primite de la microcontroler. Acestea controlează elementele optocuplorului. Ledul se va aprinde la o anumită intensitate și va deschide tranzistorul la un nivel proporțional cu intensitatea sa. Când tranzistorul optocuplorului este deschis, tranzistorul T1 conduce curentul și alimentează becul. Becul se va aprinde cu intensitatea setată de programator în codul sursă al microcontrolerului.

3.1.3 Senzori de proximitate

Senzor PIR

Senzorul de mișcare infraroșu (PIR) detectează căldura emisă de un organism din câmpul său de acțiune.

Temperatura normală de funcționare este între 5 și 25 de grade Celsius. În cazul expunerii senzorului la temperaturi extreme atunci precizia senzorului scade.

Dezavantajele acestor componente:

În cazul în care senzorul este prea sensibil, acesta va reacționa și în prezența animalelor sau păsărilor

La temperaturi mai mari de 300 C, radiațiile termice ale corpului uman vor fi detectate mai greu

Senzori cu ultrasunete

Denumiți și senzorii de mișcare radar sau senzori de înaltă frecvență ( HF – high frequency), funcționează prin transmiterea undelor sonore de înaltă frecvență, care scanează obiectele aflate în jur și emit senzorului informațiile din mediu. Mișcarea detectată în câmpul de acțiune al senzorului perturba modelul undelor reflectate și activează senzorul.

Acești senzori au o precizie mult mai bună decât a senzorilor PIR, dar aceasta poate poate constitui un dezavantaj pentru programatorul aplicației. Sistemul pe care îl dezvoltă va reacționa la orice mișcare, de multe ori irelevantă pentru sistem, apărută în mediul înconjur.

3.2 Soluții software

3.2.1 Connected Components Workbench

Connected Components Workbench este mediu de dezvoltare, gratuit, dezvoltat în Microsoft Visual Studio, pentru soluțiile de automatizare Rockwell Automation din gama Micro800.Conține un set de instrumente care permit:

Configurarea echipamentelor

Programarea automatelor

Integrarea cu editor HMI

Fig. 3.5 Device Toolbox

Din meniul Device Toolbox se pot selecta echipamentele pentru care se dorește crearea unui proiect nou. În cazul în care echipamentul este conectat direct sau printr-o rețea locală la calculator se poate folosi funcția Discover pentru stabili conexiunea cu acesta pe interfața prin care este conectat.

Meniul de configurare al echipamentelor permite utilizatorului sa modifice setările prestabilite ale acestora. În cazul automatelor programabile avem acces la date despre configurația acestuia, porturile de comunicații serial și ethernet, cardul de memorie, modulele de intrări/ieșiri sau maparea adreselor modbus. Din această interfața se face schimbarea modului de funcționare a automatului (run, program, fault) și încărcarea programelor în automat.

Fig. 3.6 Interfață configurare automat programabil

Meniul Project Organiser permite trecerea rapidă între interfețe și o viziune de ansamblu a proiectului.

Fig. 3.7 Project organizer

3.2.2 Arduino IDE

Arduino IDE este o aplicație realizată în Java ce poate funcționa pe mai multe sisteme de operare. A fost proiectat pentru dezvoltarea și compilarea programelor pentru plăcile de dezvoltare Arduino. Este un mediu de programare ușor de înțeles ce poate fi folosit pentru introducerea în dezvoltarea aplicațiilor pentru microcontrolere.

Dezvoltarea de aplicații pentru Arduino se face asemănător cu programarea aplicațiilor C sau C++. Arduino IDE vine cu o serie de biblioteci ce pot fi încărcate pe microcotroler care ușurează munca utilizatorului în ceea ce privește citirea și scrierea porturilor de intrare/ieșire, interfațarea cu alte module pentru implementarea de comunicații la distanță sau wireless, etc.

Pentru programarea unei platforme Arduino este necesară definirea a două funcții:

setup(): rulată o singură dată la începutul programului pentru a inițializa setările plăcii.

loop(): funcție ce este apelată într-o buclă infinită, atât timp cât placa este alimentată.

Din interfață utilizatorul poate să compileze și să încarce programele create sau poate să consulte și să testeze o serie de aplicații deja implementate de alți dezvoltatori și incluse în documentație.

3.2.3 NI LabVIEW

Mediul grafic de programare NI LabVIEW este folosit pentru dezvoltarea de aplicații de testare sau proiectare sisteme de achiziție de date și control și sisteme distribuite de conducere., interfațarea cu platforme hardware realizându-se foarte simplu și rapid cu ajutorul bibliotecilor disponibile.

Dezvoltarea aplicațiilor LabView se face în două etape:

Dezvoltarea interfeței grafice: avem funcții speciale de realizare a interfețelor și dispunem de o gamă largă de instrumente predefinite prin care se poate interfața orice tip de aplicație

Fig. 3.8 Exemplu Front pannel LabVIEW

Programarea propriu-zisă a aplicației: se face într-un mediu vizual cu diagrame bloc. Elementele grafice implementate pe interfață au un bloc corespondent în mediul de programare, realizându-se astfel controlul elementelor din interfață. Pentru achiziția de date și comandarea componentelor hardware există biblioteci specializate de implementare a protocoalelor de comunicație internațională, iar pentru programarea acestor componente există o gamă largă de funcții ce pot fi folosite, de la funcții matematice până la instrucțiuni de programare de nivel înalt.

Fig. 3.9 Exemplu block diagram LabView

În lucrarea de față, mediul Labview este folosit pentru interfațarea automatului programabil Micro 820 și pentru crearea aplicației de monitorizare a sistemului propus.

Interfațare cu automatul se face folosind comunicația Modbus TCP/IP. Acest lucru este posibil prin folosirea bibliotecii NI Modbus Library for LabVIEW.

4.

4.1 Descrierea funcționalității sistemului

Se dorește dezvoltarea unui sistem autonom inteligent de control și monitorizare a iluminatului public dintr-un oraș, având ca obiective:

Iluminarea eficientă a orașului

Reducerea consumului de energie electrică

Una din problemele majore a iluminatului stradal este faptul că lămpile funcționează un număr foarte mare de ore, chiar și atunci când nu este nimeni împrejur. Multe orașe au apelat la reducerea fluxului luminos al surselor de iluminat sau chiar oprirea acestora în zonele considerate necirculate pe timp de noapte. Aceste soluții neconvenționale reduc siguranța pietonilor, bicicliștilor și a autoturismelor care vor circula prin aceste zone în respectivul interval orar.

Iluminarea eficientă a unui oraș presupune identificare zonelor circulate intens și cele mai puțin circulate pentru a putea dezvolta un model de management inteligent al iluminării astfel încât circulația pietonilor, bicicliștilor și a autovehiculelor să se producă în condiții de siguranță.

Pentru implementare vor fi propuse două sisteme modulare, astfel încât controlul iluminatului stradal să se poată face diferențiat în funcție de zonele de interes identificate.

Caracteristici importante:

Rețea de senzori pentru detectarea prezenței oamenilor sau a vehiculelor aflate în zona respectivă

Rețea de senzori pentru detectarea luminozității zonei, identificarea perioadei zile (zi sau noapte), dar și identificarea perioadelor de vizibilitate redusă datorată fenomenelor meteorologice (ceață)

Modul specializat pentru controlul intensității luminii individual pentru fiecare lampă de iluminat stradal

Comunicație permanentă între modulele de control al lămpilor

Aplicație software pentru monitorizarea comportamentului sistemului de iluminat pe fiecare stradă în parte

Identificarea defecțiunilor din sistem și semnalarea acestora către un operator

4.2 Sisteme de control

Pentru a putea propune o arhitectură ce va servi ca soluție pentru sistemul de control al iluminatului am studiat o serie de modele de sisteme de control.

Sisteme inteligente de conducere

Un sistem inteligent poate fi implementat folosind tehnici prin care se pot simula cât mai exact funcții ce sunt realizate în mod normal de către om. Se dorește crearea de sisteme cu o autonomie mare în raport cu mediul înconjurător, capabili să analizeze probleme pe baza unui set de date și de a oferi soluții optime.

Fig. 4.1 Arhitectura funcțională a unui sistem de conducere autonom

Nivelul de execuție realizează comunicarea cu procesul prin intermediul elementelor de execuție și a rețelelor de senzori și asigură funcțiile de control de bază.

Nivelul de coordonare integrează funcțiile de supervizare, acordare, coordonare și gestionare a avariilor din sistem.

La nivelul strategic se realizează interfațarea cu operatorul și monitorizează performanțele. Aici are impunerea obiectivelor, planificare și optimizarea.

Sisteme distribuite de control

Un sistem distribuit de control se referă la un proces sau orice tip de sistem dinamic in care controlul elementelor nu se face de către un procesor central, ci acesta se face distribuit în întregul sistem, fiecare componentă a acestuia fiind controlată de un procesor propriu.

Sistemele distribuite de control sunt folosite in general pentru controlul producției în diferite medii industriale. Comunicația între elementele de control al sistemului distribuit și monitorizarea parametrilor proceselor se fac printr-o rețea locală.

Principalele caracteristici ale sistemelor distribuite:

concurența: se poate lucra simultan pe diferite componente din rețea, eventual partajându-se aceleași resurse;

lipsa unui ceas global: există limite în ceea ce privește capacitatea computerelor din rețea de a-și sincroniza ceasurile interne;

rezistența la erori: un defect în rețea poate duce la izolarea unei părți a sistemului, însă rețeaua va funcționa în continuare.

În proiectarea unui sistem distribuit se ține cont de următoarele cerințe:

Eterogenitatea

Sistemul să fie scalabil

Securitatea

Tratarea erorilor – un procesor/controler din rețea poate eșua în mod independent de celelalte; de aceea fiecare componentă din sistem trebuie să țină cont de faptul că o altă componentă de care depinde poate eșua și să fie capabilă să găsească o soluție în caz de avarie

Deschiderea (openness) – proprietatea sistemului de a fi extins

Concurența

Transparența – un sistem este transparent atunci când este perceput ca un întreg și nu ca o simplă colecție de componente independente și eterogene.

Fig.4.2. Exemplu arhitectură sistem distribuit de conducere

Sisteme de control bazate pe agenți inteligenți

Pending…

4.3 Sistem inteligent de control al stâlpilor de iluminat public bazat pe agenți inteligenți

4.3.1 Arhitectură

Soluția propusă presupune instalarea unor module de control al fluxului luminos pe fiecare stâlp de iluminat. Modulul se va lega direct la alimentarea cu energie electrica a lămpilor, pentru a comanda tensiunea cu care acestea sunt alimentate.

Aceste module reprezintă o serie de agenți inteligenți care iau decizii asupra intensității luminoase a lămpii pe care o controlează în funcție de perioada zilei și de interacțiunea cu mediul înconjurător.

Fig.4.3 Arhitectură sistem inteligent de control al iluminatului public

Din punct de vedere hardware modulul de control este format din:

Instrumente de câmp pentru:

interacțiunea cu mediul înconjurător: Senzor de prezență

controlul fluxului luminos al lămpilor, realizat prin modificarea tensiunii de alimentare al acestora cu ajutorul unui circuit specializat cu tranzistor MOSFET și punte redresoare.

Unitate de procesare pentru achiziția de date de la senzori, prelucrarea informațiilor și comandarea elementelor de execuție. Se va folosi o placă de dezvoltare cu microcontroler.

Caracteristicile importante ale acestei arhitecturi:

Sistemul poate fi instalat direct peste instalația de iluminat existentă. Se instalează un modul de control pentru fiecare stâlp, acesta conectându-se direct la alimentarea sursei de lumină și nu necesită trasarea de cabluri pentru alte conexiuni.

Sistemul fiind modular se poate instala pe bucăți, doar în anumite zone, fără a interfera cu restul instalației. Extinderea se face foarte ușor, independent de restul sistemului.

Posibilitate de implementare de funcționalități noi prin extinderea soluției hardware și integrarea cu soluțiile software deja existente.

Posibilitatea implementării unor module de comunicație locale pentru transmiterea de informații între agenți

Posibilitatea implementării unor protocoale de comunicație la distanță și interfațarea sistemului pentru monitorizare.

4.3.2 Funcționalitate

Sistemul propus are ca obiectiv principal reducerea consumului de energie electrică al instalației de iluminat stradal deja existentă, asigurând în același timp vizibilitatea necesară pentru desfășurarea traficului în siguranță. Astfel, ne vom concentra pe eliminarea risipei de energie pe timp de noapte, când traficul este aproape inexistent în anumite zone. Se va reduce intensitatea luminoasă a lămpilor la un nivel care asigură o vizibilitate minimă, urmând ca prin intermediul senzorilor, la detectarea unui pieton sau a unui vehicul, intensitatea sa revină la valoarea normală pentru scurt timp, astfel încât să permită circulația în siguranță.

Caracteristici principale:

Luminile stradale trebuie aprinse într-un anumit interval orar, ce poate fi programat în funcție de anotimp. De exemplu între orele 21:00 și 06:00 în timpul verii și între orele 17:00 și 08:00 în timpul iernii. În acest interval orar, agenții vor aprinde lămpile și vor controla intensitatea fluxului luminos.

În perioadele de trafic intens luminile vor funcționa a intensitate normală, iar în intervalul 00:00 – 05:00 intensitatea luminilor va scădea la 30% din capacitate.

În momentul în care senzorul va detecta pietoni, bicicliști sau autovehicule în vecinătatea stâlpului va crește intensitatea lămpilor la 100% pentru un minut pentru a permite trecerea în siguranță a acestora.

Se va lua în considerare necesitatea iluminatului în funcție de zone de interes. Spre exemplu în intersecții vizibilitatea trebuie să fie crescută pentru a evita producerea de accidente. Așadar programarea modulelor se va face în funcție de necesități.

Fig. 4.4 Schema logică de funcționare a modulului

4.3.3 Implementare

Pentru implementarea practică a fost realizat un circuit integrat ce încorporează un microcontroler, un senzor de proximitatea si un element de execuție. Am ales următoarele componente, prezentate în capitolul 3:

Placă de dezvoltare microcontroler: Arduino Pro Micro, programat folosind Arduino IDE

Senzor proximitate: Senzor PIR

Element de execuție: circuit specializat de reglare a tensiunii de alimentare a lămpilor cu tranzistor MOSFET (prezentat în capitolul 3), comandat prin impulsuri modulate în durată (PWM).

În figura 4.5 este prezentată schema bloc a modulului de control al iluminatului stradal. Achiziția de date, procesarea acestora și generarea comenzilor este făcută de placa de dezvoltare cu microcontroler.

Intrări Microcontroler:

Ora locală

Semnal analog de la senzorul de prezență

Microcontrolerul ia decizii în funcție de intrările acestuia și trimite o comandă către elementul de execuție care va controla nivelul intensității luminii lămpii. Elementul de execuție primește comenzi sub formă de impulsuri modulate în durată și controlează tensiunea de alimentare a lămpii .

Fig. 4.5 Schema bloc a modulului de control al iluminatului

Fig. 4.6 Schema electrică a modulului de control al fluxului luminos

În schema electrică am prevăzut:

Schemă electrică regulator tensiune

Conectarea plăcii de dezvoltare Arduino PRO MICRO cu pini de tip mamă.

Conector de tip tată pentru conectarea senzorului PIR

Alimentare 12v pentru senzorul PIR și placa de dezvoltare Arduino

Stabilizator tensiune

În timpul testelor stabilizatorul intern al plăcii de dezvoltare ajungea la o temperatură destul de ridicată într-un timp foarte scurt. Pentru a evita arderea plăcii din cauza unei funcționări continue la temperaturi ridicate am apelat la această soluție. Am prevăzut și posibilitatea folosirii stabilizatorului intern prin joncțiune.

Am prevăzut pini pentru conectarea unui modul cu două relee și alți 5 pini pentru conectarea altor componente necesare în cazul eventualelor extinderi

Fig. 4.7 Footprint circuit integrat

Proiectarea schemei electrice modulului de control a fost realizată folosind Altium Designer. În figura următoare se pot observa circuitele imprimate ale celor două module folosite la partea practică.

Circuite Imprimate

4.3.4 Îmbunătățiri ce pot fi aduse sistemului

Modul monitorizare luminozitate mediu înconjurător

Întrucât iluminatul stradal nu este folosit doar la iluminarea pe timp de noapte, ci poate fi folosit și pentru îmbunătățirea vizibilității în condiții meteo nefavorabile (de exemplu: condiții de ceață), modulul creat se poate extinde pentru a permite monitorizarea luminozității mediului înconjurător și controlul aprinderii lămpilor în funcție de luminozitatea mediului extern.

Circuitul integrat dezvoltat la partea practică dispune de o serie de pini, ce pot fi folosiți drept intrări sau ieșiri, prin care se pot lega componentele necesare.

Pentru măsurarea luminozității mediului înconjurător se poate folosi un fotorezistor conectat la un pin analogic al plăcuței de dezvoltare Arduino.

Fig. 4.8 Schemă electrică de conectare a fotorezistorului la Arduino

Conectarea fotorezistorului la Arduino se face foarte simplu legând unul dintre pini la pinul Vcc (5v) al plăcii de dezvoltare, iar celălalt pin la o rezistență de pull-down ce se va lega la pinul GND al plăcii de dezvoltare.

Exemple senzori de lumină:

Senzor de lumină cu fotorezistor SMD

Senzorul sesizează nivelul de iluminare al mediului înconjurător. Valoarea iluminării citită pe pinul analog al plăcuței de dezvoltare Arduino variază liniar între o și 1024.

Avantajele acestei componente sunt dimensiunile foarte mici, timpul de răspuns foarte mic și sensibilitatea foarte mare.

Dezavantajul major este faptul că acest senzor nu este calibrat, adică nu transmite o valoare a iluminării exprimată în lucși, ci doar o valoare numerică, fără unitate de măsură, direct proporțională cu iluminarea mediului înconjurător.

Pentru aplicații ce au nevoie de o precizie mărita se recomandă un senzor de lumină profesional.

Senzor de lumină profesional TSLR235R

Acest senzor măsoară nivelul de iluminare al mediului extern extrem de precis (etalonat). Înregistrează intensitatea luminoasă și generează la ieșire un semnal dreptunghiular care variază cu o frecvență egală cu valoarea intensității citite.

Pentru o precizie mărită se adaugă un condensator pentru filtrare, ce elimină interferențele cauzate de alimentare.

Având în vedere că sistemul de iluminat va funcționa autonom se recomandă folosirea unor senzori cu un nivel de precizie foarte ridicat. Există posibilitatea ca luminozitatea să aibă fluctuații foarte rapide în funcție de mediul înconjurător, ceea ce poate duce la aprinderea și stingerea repetată a lămpilor.

Acest fenomen reprezintă un dezavantaj foarte mare al acestui modul, deoarece poate avea loc în timpul zile când aprinderea luminilor este nejustificată (consum inutil de energie electrică) și scade durata de viață a surselor de lumină. Se dorește implementarea unor agenți inteligenți pentru controlul iluminatului, așadar implementarea software va trebui să adopte un algoritm mai complex și mai precis pentru a elimina acest dezavantaj.

Modul comunicație locală între agenți învecinați

În cazul în care dorim să creștem interacțiunea agenților inteligenți cu mediul înconjurător se pot instala module de comunicație locală, bazate pe tehnologii wireless, pentru transmisia datelor între agenți.

Astfel se poate implementa o noua funcționalitate sistemului de control. În cazul apariției unei defecțiuni în sistem, de exemplu sursă de lumină arsă, prin intermediul comunicației locale, vor fi anunțați agenții aflați în imediata apropiere pentru a mări intensitatea luminoasă a lămpilor pe care le controlează, pentru a asigura vizibilitatea necesară până când sursa va fi schimbată.

Principalul avantaj al tehnologiilor wireless este acela că reduce numărul de cabluri al aplicațiilor, dar în unele cazuri prezintă un dezavantaj major și anume pierderea conexiunilor din cauza interferențelor.

Avem foarte multe protocoale de comunicație ce pot fi folosite, de exemplu: bluetooth, RFID, NFC, Wi-Fi (IEEE 802.11), ZigBee(IEEE 802.15.4).

Exemplu comunicație wireless la frecvențe de 2.4GHz folosind modulul de comunicație wireless nRF24L01.

Caracteristici nRF24L01:

Tensiune de alimentare între 1,9 și 3,6V (regulator de tensiune intern)

Operează în banda ISM 2.4GHz

Conexiunea cu microcontrolerul se realizează prin protocolul SPI

Management automat al pachetelor

Pachete de lungime variabilă între 1 și 32 de biți

Multiceiver; face transmisie de date pe 6 magistrale

Distanță maximă de transmisie a datelor până la 100m în aer liber.

Pentru implementarea pe o placă de dezvoltare se va folosi biblioteca RF24 care cuprinde și o serie de exemple pentru transmisia pachetelor.

Modulul de comunicație wireless poate realiza o transmisie de date pe 6 magistrale paralele, între un nod principal (transmițător) și alte 6 noduri receptoare. Fiecare magistrală are o adresă fizică unică și poate fi configurată individual. Transmisia pachetelor nu se poate face simultan pe toate cele șase magistrale. Pentru a putea fi folosite toate cele 6 magistrale ele trebuie configurate; predefinit nu sunt activate decât magistralele 0 și 1.

Comunicația se face bidirecțional. Comunicația dintre module se încheie după ce modulul receptor trimite un pachet de confirmare (ACK). Pachetul de confirmare poate conține date relevante pentru sistem.

Fig. 4.9 Multiceiver nRF24L01

Funcționalitate:

Fiecare agent va putea comunica doar cu agenții adiacenți acestuia;

În momentul arderii unei surse de iluminat agentul corespunzător va trimite un pachet către nodurile vecine;

După primirea pachetului cei doi agenți vor mări intensitatea luminoasă a lămpilor care le controlează.

Pentru a realiza această funcționalitate este necesară implementarea unui modul pentru a detecta dacă sursa de iluminat este arsă sau nu. Cea mai simplă opțiune ar fi folosirea unui fotorezistor care să înregistreze dacă sursa menține o anumită intensitate a luminii.

Modul comunicație la distanță

Pentru monitorizarea de la distanță a sistemului de iluminat avem nevoie de realizarea unei comunicații la distanță pentru a putea prelua date de la modulele de control. Interfațarea cu un operator este necesară pentru a putea semnala evenimentele nedorite produse în sistem, cum ar fi defectarea surselor de iluminat. Putem opta la două metode de avertizare a defecțiunilor:

Trimiterea de mesaje text către operatori prin comunicație GSM

Trimiterea datelor către o aplicație de monitorizare prin comunicație ethernet

Comunicație GSM/GPRS

GSM este un standard internațional de comunicație pentru telefonia mobilă. Pentru a putea stabili o comunicație GSM avem nevoie de:

module GSM care permite accesul la rețeaua mobilă; cele mai utilizate modele folosite sunt TC35 și SIM900 sau se poate opta pentru varianta celor de la Arduino: Arduino GSM Shield.

cartele SIM de la un operator pentru a putea trimite date în rețeaua mobilă.

Principalul dezavantaj al comunicației GSM este nevoia de a plăti periodic o sumă de bani, pentru fiecare modul instalat către un operator de telefonie mobilă pentru a putea transmite date în rețea.

Comunicație Ethernet

Se dorește crearea unei rețele locale pentru a putea transmite date către un server local care va fi interfațat cu o aplicație de monitorizare pentru urmărirea evoluției componentelor din sistem.

Pentru a putea stabili comunicația cu o rețea locală avem nevoie de un modul de comunicație ethernet pentru Arduino, ce are următoarele caracteristici:

Chip ethernet Wiznet W5100 compatibil TCP și UDP

Buffer de 16K

Suportă conexiuni de până la 10/100Mb

Conexiune la internet prin mufă RJ45

Comunicația cu microcontrolerul se face prin protocolul SPI

Port pentru card microSD

Bibliotecă specifică pentru programare

Arduino Ethernet Shield

to be completed…..

În cazul în care se dorește implementare tuturor funcțiilor prezentate mai sus este necesară folosirea unui microcontroler cu putere de procesare mai mare. Memoria unui Arduino este foarte mică, iar datorită implementării unor biblioteci specifice aceasta nu este suficientă.

O soluție viabilă este placa de dezvoltare Raspberry Pi. Un avantaj major al acesteia este faptul că rulează un sistem de operare bazat pe distribuții de linux, ceea ce face mai ușoară implementarea unor funcții, cum ar fi comunicația ethernet și implementarea unui server web.

4.4 Sistem inteligent de control al iluminatului stradal cu supervizor

4.4.1 Arhitectură

Această soluție presupune dezvoltarea soluției bazată pe agenți inteligenți expusă mai devreme. În continuare fiecare sursă de lumină va fi controlată individual de câte un agent inteligent, dar se va implementa încă un nivel de control, supervizare la nivel de stradă.

Supervizorul stradal va avea următoarele funcționalități:

Achiziție de date de la agenți prin intermediul unei rețele locale

Comunicație cu centru de monitorizare unde va afișa comportamentul sistemului pe o interfață cu operatorul

Va putea face modificări în sistem în momentul apariției unei defecțiuni.

Fig.4.10 Arhitectura sistemului de control cu supervizor propus pentru controlul iluminatului public

Din punct de vedere hardware, la echipamentele necesare pentru modulele de control al stâlpilor se vor adăuga o rețea locală prin care se va realiza transmisia de date între agenți și supervizor și o unitate centrală de procesare pe care se va implementa supervizorul; se va folosi un automat programabil.

Componente:

Senzor luminozitate: folosit pentru detectarea vizibilității mediului înconjurător (zi, noapte, ceață)

S1,S2,…Sn : senzori de prezență instalat pe fiecare stâlp de iluminat pentru a detecta prezenta pietonilor sau a vehiculelor în apropierea acestuia.

EE1,EE2,…EEn : elemente de execuție folosite pentru reglarea intensității lămpilor de iluminat

A1,A2,…An : agenți inteligenți cu aceeași funcționalitate ca în prima arhitectură propusă

Magistrala de date : are rolul de a stabili comunicația între agenții amplasați pe fiecare stâlp de iluminat și supervizorul stradal.

Supervizor stradă : are rolul de a prelua informații din sistem cu privire la funcționarea acestuia, de a lua decizii în cazul producerii unei avarii și de a trimite soluția mai departe în sistem și de a semnala avariile mai departe către centrul de monitorizare pentru a fi prelucrate de către un operator.

Centru monitorizare : are rolul de a centraliza datele de la toate străzile aflate în zona sa de interes. Este practic camera de comandă a sistemului de control al iluminatului public, aici găsindu-se interfețele cu operatorul aferente fiecărei străzi. Un operator uman este însărcinat cu urmărirea aplicației de monitorizare și semnalarea situațiilor de avarie către personalul responsabil cu mentenanța.

4.4.2 Funcționalitate

Din punct de vedere al funcționalității sistemul va respecta organigrama propusă în capitolul 4.3.2, cu mențiunea că se vor adăuga o serie de funcționalități noi:

La apariția unei avarii în sistem aceasta va fi semnalată pe interfață grafică pentru a fi procesată de in operator

În cazul în care o sursă de lumină se va arde, supervizorul stradal va lua o decizie imediat pentru a asigura vizibilitatea în zona respectiva. Va trimite un semnal nodurilor adiacente nodului avariat pentru a mări intensitatea luminoasă a surselor

În cazul condițiilor de vizibilitate redusă datorate condițiilor meteo nefavorabile se vor aprinde luminile pentru a asigura vizibilitatea

Fig. 4.11 Schema logică de funcționare a unui modulul de control a intensității luminoase a sursei de lumină

4.4.3 Implementare

Pe platforma realizată anterior se vor adăuga o serie de componente pentru implementarea noilor funcționalități:

Placă de dezvoltare microcontroler: Arduino Pro Micro, programat folosind Arduino IDE

Senzor proximitate: Senzor PIR

Senzor luminozitate:

Element de execuție: circuit specializat de reglare a tensiunii de alimentare a lămpilor cu tranzistor MOSFET (prezentat în capitolul 3), comandat prin impulsuri modulate în durată (PWM).

Automat programabil: Allen Bradley Micro820, programat folosind Connected Components Workbench

Rețea locală: se vrea implementarea unei comunicații Modbus TCP/IP între modulele amplasate pe stâlpi și nodul central

Interfețe grafice: se realizează folosind mediul de dezvoltare LabVIEW

Interfațare: pending…

Fig. 4.12 Interfața modul control al surselor de lumină

5. Concluzii

Bibliografie