ELECTRONICĂ DE PUTERE ȘI ACȚIONĂRI ELECTRICE INTELIGENTE [308107]

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

ELECTRONICĂ DE PUTERE ȘI ACȚIONĂRI ELECTRICE INTELIGENTE

LUCRARE DE DISERTAȚIE

Coordonator proiect:

Conf. Dr.Ing. Chirilă Aurel

Masterand: [anonimizat] 2018

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

ELECTRONICĂ DE PUTERE ȘI ACȚIONĂRI ELECTRICE INTELIGENTE

Parcare automatizată utilizând platforma Arduino UNO destinată spațiilor comerciale

LUCRARE DE DISERTAȚIE

Coordonator proiect:

Conf. Dr.Ing. Chirilă Aurel

Masterand: [anonimizat] 2018

CUPRINS

Introducere:

Acest proiect presupune realizarea unei parcări inteligente folosind ca unitate de comandă un microcontroller de tip Arduino UNO.

În această lucrare se simulează modul de funcționare a [anonimizat].

[anonimizat].

Capitolul doi prezintă platforma Arduino.

În capitolul trei sunt prezentate elementele de intrare/ieșire folosite în procesele de automatizare.

În capitolul patru sunt prezentate elementele hardware folosite pentru realizarea unei parcări inteligente.

[anonimizat].

CAPITOLUL I

[anonimizat] a evoluției unor fenomene naturale, a ușurării existenței sale.

[anonimizat]. Automatizarea urmărește eliminarea intervenției directe a omului în procesul de producție. Etapa conducerii complexe a proceselor tehnologice a permis realizarea unor mijloace tehnice (tehnica de calcul) care asigură conducerea complexă a proceselor, fără intervenția directă a [anonimizat] (cibernetizarea).

[anonimizat] a [anonimizat].

[anonimizat] a [anonimizat].

Implementarea practică a [anonimizat].

I.1 Noțiunea de sistem:

Figura 1. Schema bloc a unui sistem

Pentru conceptul de sistem se pot da mai multe definiții:

Concept informațional: – sistemul este un model fizic realizabil al dependenței lui y de u, dacă există o relație de cauzalitate u y și nu există cauzalitate yu. [anonimizat].

Concept structural:- sistemul este este un model fizic realizabil al unui ansamblu de obiecte naturale sau create artificial în care unele mărimi reprezinta cauze și altele efecte. Principial, [anonimizat] a [anonimizat] evidențiate care nu permit o caracterizare completă.

Concept structural-funcțional: se numește sistem modelul fizic realizabil al dependenței lui y față de u, daca se cunoaște parțial structura S insă suficient de a demonstra cauzalitatea.

I.2 Sistem automat:

Sistemul automat este un caz particular de sistem, la care relația de cauzalitate u y se realizează în mod automat fără intervenția operatorului.

Un sistem automat (SA) este alcătuit din două părți principale: procesul de automatizat (P) și dispozitivul de automatizare (DA) – stabilește algoritmul de conduere a procesului înlaturând intervenția directă a omului.

Pi

u

r y

Figura 2. Schema bloc a unui sistem automat

Unde:

r-mărimea de referință (programul sistemului);

u-mărimea de comandă (conducerea procesului);

y-mărimea de ieșire (mărimea controlată);

-mărimea de reacție;

Pi-perturbatii.

Mărimile (variabilele) asociate unui sistem sunt de trei feluri: mărimi de intrare, mărimi de stare și mărimi de ieșire.

Mărimile de intrare sunt independente de sistem (deci sunt de tip cauză) și influențează din exterior starea și evoluția sistemului.

Mărimile de stare sunt dependente de mărimile de intrare (deci sunt de tip efect) și au rolul de a caracteriza complet starea curentă a sistemului.

Mărimile de ieșire sunt dependente de mărimile de stare, uneori și direct de mărimile de intrare (deci sunt de tip efect), și au rolul de a transmite în exterior (sistemelor învecinate) informație referitoare la starea curentă a sistemului. Unele mărimi de ieșire pot fi în același timp mărimi de stare.

Un sistem interacționează cu sistemele învecinate numai prin intermediul mărimilor de intrare și de ieșire. Mărimile de ieșire ale unui sistem sunt deci mărimi de intrare pentru sistemele învecinate. Mărimile de ieșire ale sistemelor tehnice sunt măsurabile, în timp ce mărimile de stare nu sunt în totalitate accesibile măsurării.

Esențial la sistemele automate este prezența reacției (legatura inversă) dintre procesul automatizat și dispozitivul de automatizare. Reacția aduce permanent la cunoștința D.A. informația privind valoarea mărimii de ieșire. În absența acestei informații pe baza careia D.A. să ia decizii, sistemul în asamblu nu poate realiza corelația dorită ry, ca urmare a prezenței mărimilor perturbatoare Pi. Acestea din urmă se datorează:

Sarcinilor variabile cu care lucrează procesul tehnologic;

Influențele factorilor externi asupra elementelor sistemului;

Datorită uzurii și procesului de îmbatrânire a elementelor sistemului.

I.3 Clasificarea sistemelor automate:

După tipul ecuației care descrie comportarea dinamică a sistemului:

Liniare;

Neliniare.

După caracteristicile funcției de transfer a procesului tehnologic:

SA pentru procese invariante în timp;

SA pentru procese variabile în timp ( adaptive sau extremale).

După modul de variație a mărimii de referință:

SA cu referință constantă în timp;

SA cu referință variabilă în timp.

După modul de variație a mărimilor sistemului:

SA continue (analogice);

SA discrete (numerice cu eșantionare).

După numărul de parametrii reglați:

SA monovariabile;

SA multivariabile.

După construcția dispozitivelor de automatizare și tipul semnalelor folosite:

SA cu echipamente unificate;

SA cu echipamente specificate.

După natura echipamentului de automatizare:

SA cu echipament electronic;

SA cu echipament pneumatic;

SA cu echipament hidraulic;

SA cu echipament mixt.

După viteza de răspuns a SA:

SA pentru procese lente;

SA pentru procese rapide (Tr < 10s).

I.4 Evoluția tehnologiilor de la prima revoluție industrială până în prezent:

Revoluția Industrială s-a declanșat la sfârșitul secolului al XVIII-lea și în primele decenii din secolul XIX-lea mai întâi în Anglia ca mai apoi să înceapă și în celelalte state dezvolatate Franța, Germania, SUA.

Revoluția industrială a fost un proces tehnic complex prin care munca manuală a fost înlocuită de mașini. În acest proces mecanizat muncitorului îi revine rolul de supraveghere, reglare și alimentare a mașinii și controlul calității produsului obținut. Revoluția industrială a avut ca efect creșterea producției, dezvoltarea orașelor și a științei.

Impactul social al revoluției industriale a marcat dezvoltarea diviziunii sociale a muncii, au apărut noi ramuri de producție, noi centre industriale, au rezultat noi relații economice. De asemenea, apare clasa mijlocie, categorie ce beneficia de caștiguri financiare rezonabile.

Impactul tehnic a provocat o puternică impulsionare în domeniul invențiilor, apar fabrici, uzine iar munca manuală se inlocuiește cu cea mecanizată.

Creșterea producției a fost însoțită de creșterea vânzărilor și obținerea profitului, care era și scopul producției.

Revoluția industrială a fost însoțită de revoluția transporturilor. S-a extins construcția șoselelor și au aparut căile ferate și vapoarele.

Tehnologiile de prelucrare a materialelor au evoluat disruptiv de la apariția lor și până

în prezent putând fi definite 4 mari revoluții industriale.

Figura I.3. Evoluția tehnologiilor de la prima la a patra revoluție industrială

Prima revoluție industrială, care a început în ultimele decade ale secolului XVIII-lea, este caracterizată de introducerea echipamentelor mecanice de producție actionațe de forța apei sau a aburului.

A doua revoluție industrială a debutat la sfarșitul secolului XIX-lea. Specific acestei revoluții este utilizarea acționării electrice a echipamentelor de producție și realizarea unei producții de masă bazată pe divizarea muncii.

A treia revoluție industrială a demarat în deceniu 8 al secolului XX-lea odată cu apariția Controlerelor Programabile Logice (PLC). Caracteristica de bază a acesteia este utilizarea sistemelor electronice și a tehnologiei informației în automatizarea producției.

În momentul de fața, ne găsim în perioada de început a celei de a patra revoluții industriale (Industry 4.0) caracterizată de utilizarea sistemelor cyber-fizice în procesele de producție.

Revoluția Industry 4.0 prevede ca produsul care urmează să fie fabricat este capabil să interacționeze cu echipamentele de producție (mașini și roboți) și să transmită acestora cerințe pentru urmatoarea fază a procesului de prelucrare realizându-se, astfel, conectivitatea între elementele procesului. Apare, astfel, un sistem inteligent de producție capabil să comunice și să ia decizii optime în mod autonom.

În figura 2 avem evoluția automatizării proceselor în domeniul tehnologiilor plastice, unde la început s-au utilizat prese mecanice simple, sistemul de alimentare cu semifabricate fiind manual. Ulterior, începând cu deceniul al cincilea din secolul al XX-lea, s-au utilizat prese electromecanice (mecatronice) cu sisteme de alimentare sincronizate mecanic, structura lanțului de proces devenind mai sofisticată. În a doua parte a anilor ’70 din secolul trecut, comanda și controlul preselor s-au realizat prin comenzi numerice (PLC).

Figura I.4. Evoluția procesului de automatizare

Începand cu anii 2010, în comanda preselor și a sistemelor de manipulare a semifabricatelor și a pieselor finale se folosesc sisteme cyber-fizice (cu senzori integrați în construcția matrițelor și a presei și conexiune fără fir între postul de lucru și serverul pe care se rulează simularea procesului), ceea ce permite modificarea on-line a parametrilor procesului de fabricație în scopul optimizării și creșterii robusteței acestuia. Structura lanțului de proces devine, astfel, tot mai complexă, integrând elementele de execuție (presele, matrițele), cele de deservire (roboți, sisteme de alimentare), senzorii și sistemele digitale de achiziție, prelucare și comandă a întregului sistem.

Un rol esențial la saltul tehnologic în inovari tehnologice îl au:

Tehnologii de tip rapid prototyping, denumite mai nou, tehnologii de tip Additive Manufacturing, cloud manufacturing ;

Realitatea augmentată;

Simularea stohastica.

Figura I.5. Evoluția ciclică a fabricației de la prima la a patra revoluție industrială

Din cele de mai sus rezultă că tehnologiile de fabricație au parcurs o dezvoltare ciclică, de la producția artizanală (orientate pe individ), la producția de masă (orientată pe produs), apoi la cea personalizată de masă (orientată pe grupuri de consumatori) și revenind înapoi la producția personalizată (orientată pe consumatorul individual).

Conceptul Industry 4.0 este inclus în programele strategice de dezvoltare ale unor țări dezvoltate din Europa, America și Asia. Spre exemplu, Germania a inclus în programul său de cercetare strategică, cu perspectiva anul 2025, domeniul industry 4.0.

Figura I.6. Companii ce au făcut trecerea la Industry 4.0

Tehnologiile avansate specifice celei de-a patra revoluții industriale sunt prezentate în figura 5. Acestea sunt:

Internetul obiectelor (IoT- Internet of Things);

Securitatea datelor;

Prelucrarea datelor;

Roboți autonomi;

Realitate augumentată;

Simularea procelor;

Integritatea sistemelor pe verticală și orizontală.

Figura I.7. Tehnologiile specifice celei de-a patra revoluții industriale

Pentru o înțelegere mai ușoară a diferenței dintre structurile lanțurilor de proces într-un sistem de fabricație clasic și unul specific pentru Industry 4.0 s-au reprezentat sugestiv în figura I.7. În sistemul clasic, procesul de producție se desfășoară într-un flux de fabricație bine definit, între celulele de lucru independente. În noul concept Industry 4.0 există un flux atât al produselor, cât și al datelor, integrate între ele.

Într-o "lume inteligentă și conectată la rețea", Internetul lucrurilor și serviciilor va face să se simtă prezența sa în toate domeniile cheie. Această transformare conduce la apariția unor rețele inteligente în domeniul furnizării de energie, strategii de mobilitate durabilă (mobilitate, logistică inteligentă) și sănătate inteligentă în domeniul asistenței medicale.

Industria 4.0 se concentrează pe crearea de produse, proceduri și procese inteligente. Fabricile inteligente reprezintă o caracteristică-cheie a industriei 4.0. Fabricile inteligente sunt capabile să gestioneze complexitatea, sunt mai puțin predispuse la perturbări și sunt capabile să producă mai eficient bunuri. În fabrica inteligentă, ființele umane, mașinile și resursele comunică între ele în mod natural, ca într-o rețea socială. Produsele inteligente cunosc detaliile referitoare la modul în care au fost produse și la modul în care acestea sunt destinate utilizării. Sprijina activ procesul de fabricație, răspunzând la întrebări precum "când am fost făcut?", "Care parametrii trebuie utilizați pentru procesarea mea?”, "Unde trebuie să fiu livrat?", etc. Interfețele sale cu mobilitatea, inteligența, logistica inteligentă și rețelele inteligente vor transforma fabrica inteligentă într-o componentă cheie a infrastructurilor inteligente de mâine. Acest lucru va duce la transformarea lanțurilor de valori convenționale și la apariția de noi modele de afaceri.

Figura I.8. Industria 4.0 și fabricile inteligente ca parte a Internetului obiectelor și serviciilor

Produsele inteligente din Industrie 4.0 sunt identificabile în mod unic și pot fi localizate în orice moment. Chiar și atunci când sunt facute, vor cunoaște detaliile propriului proces de fabricație. Aceasta înseamnă că, în anumite sectoare, produsele inteligente vor putea controla semi-autonom etapele individuale ale producției. În plus, va fi posibil să se asigure că marfurile finite cunosc parametrii în care pot funcționa optim și că sunt capabile să recunoască semnele de uzură în timpul ciclului lor de viață. Aceste informații pot fi reunite pentru a optimiza fabrica inteligentă în ceea ce privește logistica, implementarea și întreținerea și integrarea cu aplicațiile de gestionare a afacerii.

În viitor, în cadrul Industrie 4.0, vor fi incluse caracteristici individuale specifice clientului și produselor în fazele de proiectare, configurare, comandă, planificare, producție, operare și reciclare. Va fi chiar posibil să includeți cererile de modificări de ultim moment înaintea sau chiar în timpul fabricației și, eventual, și în timpul funcționării. Acest lucru va face posibilă fabricarea în mod profitabil a elementelor unice și a cantităților foarte mici de bunuri.

Implementarea viziunii Industrie 4.0 va permite angajaților să controleze, să reglementeze și să configureze rețele inteligente de producție și etape de fabricație. Angajații vor fi eliberați de obligația de a efectua sarcini de rutină, permițându-le să se concentreze asupra activităților creative și cu valoare adaugată. Astfel, acestea vor păstra un rol esențial, în special în ceea ce privește asigurarea calității. În același timp, condițiile flexibile de lucru vor permite o mai mare compatibilitate între munca lor și nevoile personale.

Monitorizarea detaliata în timp real va juca, de asemenea, un rol-cheie în procesele de producție.

Energia este viață. Energia este și progres. Iar în cea de-a Patra Revoluție Industrială, energia este totul. Și energia curată a început să câștige teren în fața combustibililor fosili. Acum, omenirea inveșteste anual în tehnologii noi pentru energie regenerabilă mai mult decât în cele pentru cărbuni, gaze naturale și petrol la un loc.

Figura I.9. Transformarea energiei

Schimbarea a început în 2013, atunci când lumea a adăugat 143 gigawați la capacitatea de energie regenerabilă, comparabil cu cei 141 gigawați produși în noile facilități de combustibili fosili. Potrivit raportului din 2015 al Agenției Internaționale a Energiei (IEA) cu privire la energia globală, formele regenerabile de electricitate vor contribui la generarea de putere în anul 2020 în proporție de 26% din totalul produs – peste necesarul cumulat al Chinei, Indiei și Braziliei.

La finele lui 2015, 53 de companii din Fortune 500 au garantat ca vor folosi 100% energie regenerabilă, prin inițiativa RE100, lansată în septembrie 2014. Pentru a accelera dezvoltarea și comercializarea noilor tehnologii producatoare de energie, aceste companii vor juca un rol important prin susținerea cercetării-dezvoltării și a proiectelor pilot în sensul stimulării energiei verzi, ca parte a angajamentelor lor de sustenabilitate.

Industria energetica s-a îmbarcat într-o călătorie transformatoare și putem spune că ne aflăm acum în zorii unei revoluții a energiei. Se anticipează că, în următorii 30 de ani, doua treimi din energia produsă la scară globală vor proveni din surse regenerabile. Iar această transformare presupune nu doar mai multe panouri fotovoltaice și mai multe turbine eoliene, ci și integrarea lor completă în sistemul electric.

Marocul devine o „superputere solară” – aici se construiește una dintre cele mai mari centrale de energie fotovoltaică, care va produce destula energie cât pentru mai mult de un milion de marocani, reducând necesitatea de combustibili fosili a țării cu 2,5 milioane de tone de petrol. În Bangladesh, circa 3,5 milioane de locuințe – sau 18 milioane de oameni – au acum energie electrică provenită din sisteme solare.

China transformă 800 de școli din Beijing în „școli ale soarelui”, ale căror acoperișuri vor fi acoperite cu 100 megawați de panouri solare pentru a alimenta sălile de clasă, curățând deopotriva atmosfera. Mexicul a distribuit gratis cetățenilor săi 23 de milioane de becuri economice, astfel că peste 5,5 milioane de familii mexicane și-au redus facturile la electricitate cu 18%.

Ba chiar și în Romania, zona Dobrogea a devenit căminul celui mai mare parc eolian din Europa Centrală și de Est (Cogealac-Fântânele), fiind împânzită cu sute de turbine eoliene, cu o putere de 2,5 MW fiecare.

Deci, energia se transformă cu pași repezi, dar, pentru a face cu adevărat față schimbărilor climatice și ratei de înmulțire a populației, măcar 40% din producția de energie globală trebuie să provină de la tehnologii cu zero emisii, potrivit lui Fatih Birol, director executiv al IEA Paris. Iar marea provocare în acest sens nu mai este neapărat a avea mai multă energie regenerabilă, cât sisteme energetice mai bune.

Distribuirea energiei curate este îngreunată de distanța dintre punctele de generare a energiei solare și eoliene și centrele de stocare/distribuire spre consumatori. De aceea, se va impune o abordare diferită, care să integreze sursele de energie regenerabilă într-o rețea generală inteligentă. Cum estimările previzionează ca în următorii 25 de ani cererea de energie va crește cu peste 80% la scara globală, acest lucru înseamnă că importante investiții trebuie făcute în rețele electrice, pentru gestionarea rezervelor și a cerințelor de energie crescânde.

În tot acest peisaj, China va juca un rol cheie, în sensul transformării către energia verde și regenerabilă. Target-ul ambițios al acestei țări este ca, până în 2030, 25% din producția sa totală de energie să provină din surse regenerabile. Asta, în condițiile în care acum acest procent este de numai 1,5% – 2%. Între timp, China este deja lider de exporturi al tehnologiei pentru energie curată – peste 60% dintre panourile fotovoltaice din toata lumea sunt fabricate acolo. Iar capacitatea lor de recoltare a energiei solare este în continuă creștere, astfel încât panourile viitorului vor fi mult mai eficiente decăt cele de acum.

Până în 2030, electrificarea planetei va fi dictată îndeosebi de dezvoltarea resurselor de energie regenerabilă disponibile, necostisitoare și abundente. Prin scăderea și nivelarea costurilor pentru energia solară și eoliana – deja competitive cu generarea de combustibili fosili tradiționali pe unele piețe – accesul la energie modernă, accesibilă, sigură și sustenabilă va deveni mult mai semnificativ și va reduce săracia, favorizând sănatatea, educația și creșterea economică.

În plus, digitalizarea sistemului va spori acuratețea previziunilor meteorologice, de care depind principalele resurse regenerabile. De asemenea, o largă gamă de tehnologii de stocare a energiei foarte promițătoare se află în dezvoltare și în proces de comercializare – un exemplu este chiar bateria Tesla Powerwall, a lui Elon Musk, lansată în 2015. Deci, sursele de energie regenerabilă, combinate cu medii de stocare a acesteia, vor înlocui generatoarele diesel și vor permite soluții de alimentare care vor potența electrificarea și dezvoltarea.

Consumatorii se vor implica direct în producția de energie si vor modela viitorul acesteia. Mici și mari, cămine sau corporații, aceștia vor putea să stocheze, să producă, să gestioneze, să cumpere și să vândă energie într-o manieră profitabilă și eficiența d.p.d.v. al costurilor. Noile platforme inteligente și piețele virtuale vor susține noi modele de afaceri și le vor permite indivizilor și comunităților să preia controlul viitorului lor energetic.

Astfel, se previzionează că, până în 2030, sistemul electric va fi mai conectat și hibridizat (o combinație de resurse și rețele), iar consumatorul va deveni „prosumer” și va putea să iți vândă excesul de energie. În acest sens, el va trebui educat și instruit pentru a profita de beneficiile noii rețele. De asemenea, electrificarea transporturilor va face ca autoturismele electrice să furnizeze servicii de rețea, inclusiv stocare, iar totul va fi interconectat.

Figura I.10. Structura lanțurilor de proces într-un sistem de fabricație clasic (a) respectiv unul specific pentru Industry 4.0 (b)

Câteva caracteristici specific noului concept de fabricație sunt:

O comunicare integrată de-alungul întregului ciclu de lucru;

Un mare grad de automatizare, ceea ce va duce la înlocuirea operatorilor care efectuează munci cu grad scăzut de calificare cu roboți;

Creșterea numărului de persoane cu calificare înaltă pentru monitorizarea și managementul fluxului de fabricație;

Un grad ridicat de comunicare între mașini (M2M) respectiv între mașina și om (M2H);

Optimizarea întregului lanț de proces prin utilizarea unor programe de inteligență artificială în fiecare structură a lanțului tehnologic.

Caracteristica producției într-un mediu industrial 4.0 este puternica individualizare a produselor (customization) în condițiile unei producții de masă extrem de flexibila.

Tehnologia necesară pentru această autonomizare este îmbunatățită prin introducerea metodelor de auto-optimizare, auto-configurare, auto-diagnoză, înțelegere și suport inteligent din partea oamenilor care operează într-o munca din ce în ce mai complexă. Industry 4.0 combină informația de o calitate impecabilă cu tehnologia de comunicare. Informații complete, realtime ajută companiile să reacționeze rapid la disponibilitatea anumitor materii prime, de exemplu. Procesele de producție pot fi controlate în întreaga companie pentru a economisi resurse și energie.

Planul de supraviețuire al companiei Bosch

În numarul din iunie2016 al MIT Journal este prezentată tranziția la Industry 4.0 pe care o face compania Bosch. Pentru Bosch adoptarea acestui sistem cibernetic de conectare a devenit o strategie de supraviețuire, o urgență din a face un sistem deja eficient de producție unul mult mai autonomizat. Compania cu peste 375000 de angajați trebuie să se schimbe într-un model de producție conectat pentru a ramane competitivă. Costurile în creștere cu manopera și energia fac din ce în ce mai multe fabrici sa devină scumpe.

Deasupra fiecărui utilaj este un semnal luminos care arată statusul eficienței folosirii sale, iar largi monitoare afișează performanța curentă a producției. Operatori cu tablete introduc date capturate de mai mult de 100 de senzori pe fiecare masină. Managerii urmăresc valorile actualizate la minut pentru orice, de la electricitate la aer comprimat. Pot analiza mașini individuale, chiar componente individuale..orice este monitorizat. Monitoarele nu afișează doar numere și grafice dar și imagini ușor de ințeles vizual privind starea actuală a mașinilor și a întregii fabrici.

Până la sfarșitul acestui an Bosch și-a propus conectarea a 6000 de mașini din cele 250 de fabrici, cu date colectate la secundă, cu performanța zilnică a fiecărui echipament detaliată și analizată într-un raport de 20 de pagini automat. Prin producția conectată s-a reușit o creștere cu 20% a productivității în ultimii trei ani. Până în 2020 compania estimează că prin tehnologii tip linii conectate de asamblare, mentenanță predictivă și mașini cu un anumit grad de auto-conștiință să câștige aprox 2 miliarde USD. În spatele acestui efort extraordinar al companiei de a face fabricile mai lean, mai conectate și mai inteligente este un singur motiv, profitul.

Fabrica inteligentă Siemens

Fabrica Siemens Electronics produce simatic programmable logic controls (PLCs) folosite pentru echipamentul automat într-o varietate de industrii, de la producătorii de automobile până la cei de mâncare și băuturi. Siemens și-a facut un scop din a folosi echipamentul produs pentru producția facută în propriile fabrici, iar cea din Amberg nu numai că produce PLCs, dar și folosește echipament PLCs automat pentru a crea produse și folosește software-ul pe care Siemens îl vinde clientilor de producție.

Automatizarea de bază s-a petrecut la fabrica din Amberg încă din 1989, dar utilizarea ei a crescut exponențial de atunci: în acest moment, mașinăriile și computerele se ocupă de 75% din procesul de producție de la început până la final. Pe langă PLCs, fabrica se folosește și de componente human machine interface (HMI) precum touchscreen-uri heavy-duty și coordonează procesul prin software-ul WinCC și prin contextul ingineriei companiei, cunoscut sub numele de TIA (totally integrated automation) Portal.

Filosofia companiei este automatizarea nu numai a ceea ce este tehnic posibil, dar și a ceea ce are cel mai mare sens din punct de vedere comercial. Asta înseamnă automatizarea oricărui proces repetitiv sau a liniei mari de producție. Fabrica din Amberg acceptă automatizarea la un asemenea nivel încât și funcțiile legate de producție sunt automatizate, de la primirea comenzilor până la livrarea produselor finale. Digitalizarea s-a extins în toată fabrica și informația este comunicată regulat prin Profinet, standardul industriei pentru Ethernet. Digitalizarea fabricii a început cu o concentrare inițială pe asigurarea calității și performanța mașinăriilor, dar s-a extins pentru a capta datele din toate zonele de producție. Folosind propriile metode de identificare industriale, Simatic Ident, inclusiv sisteme de citire de coduri și RFID, componentele sunt urmărite pe tot parcursul procesului de producție și datele sunt capturate într-un sistem central de execuție a productiei (MES). Obiectivul este de a controla cu acuratețe și de a urmări produsul pe parcursul procesului, înregistrând datele în timp real pentru fiecare fază astfel încat să fie disponibil pentru urmatorii pași.

Probabil cea mai semnificativă dezvoltare la Amberg în ultimii ani a fost folosirea în exces a software-ului de management al ciclului de producție (PLM) la fabrica. De exemplu, folosind un produs PLM, software-ul Teamcenter collaboration, datele pot fi transmise între unități, de la spațiul de birouri unde are loc cercetarea și dezvoltarea, până la locul unde produsele sunt făcute. Asta înseamnă că inginerii din birouri pot să vină cu un design, sa efectueze simularea, și apoi sa trimită acolo unde procesul de producție e simulat. Totul este facut virtual, folosind software-ul, înainte ca vreun produs să fie facut, de fapt. „Câștigăm timp și calitatea e îmbunătățită. Poți scăpa de toate bugurile până ajungi la partea de hardware” spune Dieter Wegener, șeful Industrie 4.0 Office la Siemens. “Este mai puțin costisitor și mai eficient”.

Efectul eficienței:

Cu ajutorul automatizării și a digitalizării, la fabrica Amberg a scăzut numarul erorilor de la 500 din 1 milion de acțiuni la 12, iar anul acesta a scăzut chiar la 11. Fabrica are o rata a calității de 99.9988%. Asemenea eficiență este din ce în ce mai necesara, conform spuselor lui Wegener, pentru că cererea consumatorilor devine și mai complexă. De exemplu, în industria automobilelor, fiecare mașina este aproape custom made avănd în vedere numărul opțiunilor și sub-obțiunilor ce pot fi selectate. În mod normal, o fabrică ar fi nevoită să mărească forța de muncă pentru a face față dar cu ajutorul automatizării și a digitalizării, fabrica Amberg a produs mai mult deși a ținut constantă forța de muncă; Wegener spune că fabrica Amberg a avut în jur de 1.000 de angajați în ultimii 10 ani, perioadă în care și-a îmbunătățit productivitatea de 6 ori.

Siemens a investit masiv pentru a ajunge la acest punct, chiar până ca Industrie 4.0 sa devină cuvânt de lege în Germania. În 2007, a achiziționat UGS, dezvoltatorul software-ului PLM din Texas, pentru suma de 3.5 miliarde de dolari. Compania a investit mai bine de 4 miliarde de euro, inclusiv achizitia UGS, pentru a dezvolta linia de producție care, în schimb, va fi folosită de clienții industriali pentru a digitaliza procesul. Dacă sondajul PwC recent indică ceva, este că fabrica Amberg este abia la început. Până în 2020, 80% dintre companii se așteaptă să-și digitalizeze întregul sistem și, până la acel moment, industria din Germania va investi 40 de miliarde de euro în fiecare an pentru Industrie 4.0.

„Asta arată că a fost înțeles de către companii faptul că industria se schimba” spune Reinhard Geissbauer, partener PwC în consultanță manageriala. „Industria germană este pe pragul de a deveni extrem de dezvoltată în ceea ce privește Industrie 4.0″.

Efectele celei de-a patra revoluții industriale:

Inovațiile care apar în domeniile inteligenței artificiale și roboticii ar putea forța guvernele să legifereze introducerea de cote de angajați, potrivit unui raport al Asociației Internaționale a Barourilor, citat de  Guardian.  
Studiul, care sugerează că o treime din locurile de muncă pentru absolvenții de studii superioare din lume vor fi înlocuite de mașini și software, avertizează și că actualul cadru legal al pieței muncii devine rapid învechit.  
Avantajul competitiv al economiilor sărace, emergente – bazate pe mâna de lucru ieftină – va fi erodat curând în condițiile în care liniile de fabricație cu roboți și sistemele inteligente de computere subminează costul cu lucratorii umani, potrivit studiului.
În condițiile în care un muncitor din fabricile germane de mașini costă peste 40 de euro pe oră, un robot costa între 5 și 8 euro pe oră. 
"Un robot de producție este astfel mai ieftin decât un muncitor din China", scrie sursa citată, care adaugă că un robot "nu se îmbolnăvește, nu face copii, nu intra în grevă și nu are dreptul la concediu".  
Raportul de 120 de pagini, care se concentrează pe implicațiile legale ale schimbărilor tehnologice, a fost realizat de o echipa de avocași specializati în dreptul muncii pentru Asociația Internaționala a Barourilor, un forum legal al profesioniștilor din drept. 
Documentul acoperă atât schimbările care deja afectează piața muncii cât și viitoarele consecințe a "revoluției industriale 4.0". Cele trei revoluții anterioare sunt considerate a fi industrializarea, electrificarea și digitalizarea. 
"Industria 4.0" implica integrarea roboților și programelor computerizate în producție și sectorul serviciilor. Amazon, Uber, Facebook, "fabricile smart" și printarea 3D sunt printre actualii pionieri ai domeniului.  
Autorul principal al raportului, Gerlind Wisskirchen spune că "ceea ce este nou în privința actualei revoluții este rapiditatea cu care schimbarea se produce și spectrul larg al impactului inteligenței artificiale și roboticii".

"Locuri de muncă de la toate nivelurile societații ocupate de oameni sunt în pericol să fie repartizate roboților sau inteligenței artificiale, iar legislația introdusă mai demult pentru a proteja drepturile lucrătorilor umani s-ar putea să nu își mai realizeze scopul, în unele cazuri… Este nevoie cât mai urgent de introducerea unei noi legislații a muncii, pentru a ține pasul cu automatizarea în creștere", a adăugat el.
Privind către viitor, autorii sugerează că guvernele vor trebui să decida ce locuri de muncă vor fi realizate exclusiv de către oameni, de exemplu îngrijirea bebelușilor.  
"Statul poate introduce un tip de ‘cote umane’ în toate sectoarele" și decide "dacă să introducă o etichetă ‘Făcut de Oameni’ sau să taxeze utilizarea roboților", se afirmă în raport.
Autonomia tot mai mare a mașinilor va cauza probleme în definirea responsabilității pentru accidente care implică noi tehnologii, precum mașinile fără șofer. Cine va plati asigurarea, proprietarul, pasagerul sau producătorul? 
"Chestiunea răspunderii ar putea deveni un obstacol insurmontabil în calea introducerii șofatului complet automatizat", avertizează studiul citat. Auto-stivuitoare automate sunt folosite deja în fabrici. 
În ultimii 30 de ani, în Statele Unite, roboții au cauzat moartea a 33 de angajați.

Asupra autonomiei mașinilor vor trebui impuse limite. Studiul preia principiul militar, implementat de ministerele apărării din SUA și Marea Britanie, ca întotdeauna trebuie să existe un om în lanțul deciziilor (human in the loop). 
Astfel se previne dezvoltarea de drone complet autonome ce ar putea fi programate să își aleagă singure țintele.

Națiunea cea mai dezvoltată din punct de vedere al densității roboților din sectorul industrial este Coreea de Sud, care are 437 de roboti la 10.000 de angajați, în condițiile în care în Japonia cifra este 323 iar în Germania 282.

De acum încolo, să ne așteptăm ca cea mai mare parte a forței de muncă din organizații să fie îngrămadită nu așa cum suntem obișnuiți, lângă linia de asamblare, ci în birouri de design, inginerie, IT, logistică, marketing etc. Chiar și salariații din producție vor fi mult mai instruiți decât cei de acum. Afectată va fi nu doar maniera, ci și locul în care vor fi realizate obiectele. Până recent, companiile preferau să se mute în state cu mâna de lucru ieftină, dar acest argument începe să-și piardă gradual din importanță. Producătorii preferă să se întoarcă pe piețele bogate nu pentru că pretențiile salariale ale chinezilor au crescut, ci pentru că vor să fie cât mai aproape de clienții lor, ca să poată avea un raspuns rapid la orice modificare a cererii. Apoi, există obiecte atât de sofisticate, încat ca patron preferi să ai în același loc și unitatea de proiectare, și pe cea de producție. Potrivit unei analize a Boston Consulting Group, pînă în 2020, între 10% și 30% din bunurile importate momentan de SUA din China în domenii precum transport, IT sau instalații mecanice vor fi produse pe piața internă, ceea ce va duce la creșterea producției americane cu sume semnificative, cuprinse între 20 și 50 de miliarde de dolari.

CAPITOLUL II

ARDUINO

II.1 Prezentare generală:

Arduino este un instrument prin care poți realiza sisteme informatice capabile să

‘perceapă’ și să ‘controleze’ lumea înconjurătoare . Acest instrument este open-source și este compus dintr-un mediu de dezvoltare (o varianta de Wiring – platforma folosită pentru procesare multimedia) și o placă de dezvoltare cu microcontroler AVR.
Arduino poate fi folosit pentru dezvoltarea de obiecte interactive. Informația este preluată de la o gamă variată de senzori și comutatoare, se procesează în interiorul microcontrolerului AVR, și este transmisă către o gamă la fel de variată de lumini, motoare, actuatoare etc.

Arduino a inceput in anul 2005, ca un proiect al unui student al Institutului de

Interacțiune a Designului din Ivrea, Italia. La acea vreme studenții foloseau o plăcuță de dezvoltare BASIC Stamp, care costa 100 dolari, foarte scump pentru studenți.

Numele de “Arduino” provine de la un bar din Ivrea, locul în care o parte dintre fondatori obișnuiau să se întâlnească.

Studentul columbian Hernando Barragán a creat platforma de dezvoltare Wiring care a servit ca bază pentru Arduino. După finalizarea platformei Wiring, mai multe versiuni, mai light și mai ieftine au fost create și puse la dispoziția comunităților open-source. Din echipa inițială Arduino au făcut parte Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino și David Mellis.

Arduino este o companie open-source care produce, atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități sau procese in lumea reală.

Proiectul este bazat pe designul plăcilor cu microcontroller, produse de câțiva furnizori, folosind diverse tipuri de microcontrollere. Aceste plăci pun la dispoziția utilizatorilor pini I/O, digitali și analogici, care pot fi interfațați cu o gamă largă de plăcuțe numite scuturi (shield-uri) și/sau alte circuite. Plăcile au interfețe de comunicații seriale, inclusiv USB pe unele modele, pentru a încărca programe din calculatoarele personale. Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino vine cu un mediu de dezvoltare integrat (IDE) bazat pe proiectul Processing, care include suport pentru limbaje de programare ca C si C++.

Arduino este o placă de dezvoltare cu un singur microcontroler ce permite dezvoltarea unor proiecte multidisciplinare mult mai accesibile.

Hardware-ul constă dintr-o placă hardware open-source concepută în jurul unui microcontroler ATMEL AVR pe 8 biți, sau un ARM Atmel pe 32 de biți.

Software-ul este constituit dintr-un compilator cu limbaj propriu de programare și un bootloader ce este executat pe microcontroler.

Plăcile Arduino se pot achiziționa pre-asamblate sau kit-uri “ do it yourself”. De asemenea pe internet se găsesc, fiind un proiect open-source, o serie de informații utile, legate de design-ul hardware a acestora, lucru ce permite pasionaților să iși producă propriile versiuni cât și pentru a asambla manual componentele necesare.

Un aspect important al plăcilor Arduino este modul standard în care sunt expuși conectorii plăcii, la vedere, acest lucru permițând ca placa de dezvoltare să fie conectată la o varietate de module add-on interschimbabile, cunoscute sub numele de Arduino Shields. Unele shield-uri comunică cu placa Arduino direct pe anumiți pini ai acesteia, însă cele mai multe shield-uri sunt adresabile individual prin Bus-ul serial I2C, care permite ca mai multe shield-uri să fie utilizate in paralel. Plăcile de dezvoltare oficiale Arduino au folosit chip-uri din seria megaAVR, în special Atmega8, Atmega 168, Atmega 328, Atmega 1280, Atmega 2560. O serie de alte procesoare au fost folosite de către plăcile compatibile Arduino. Cele mai multe plăci includ un regulator liniar de 5V si un oscilator de 16MHz (cristal de quartz sau rezonator ceramic). Microcontroler-ul Arduino este, de asemenea, pre-programat cu un bootloader care simplifică încărcarea de programe în memoria flash a acestuia, comparativ cu alte dispozitive, care de obicei au nevoie de un programator extern.

La un nivel conceptual, toate plăcile Arduino sunt programate printr-o conexiune serială RS-232, dar modul în care aceasta este pusă în aplicare variază în funcție de versiunea hardware.

II.2 Arduino UNO:

Pe piață există o gamă foarte variată de sisteme de dezvoltare bazate pe microcontroler, avantajele pe care le are Arduino față de aceste sisteme sunt:

-Costuri de achiziție reduse;
-Poate fi folosit pe orice sistem de operare (Linux,Windows sau MacOS). Majoritatea plăcilor de dezvoltare fiind limitate la sistemul de operare Windows;
-Un mediu de programare simplu și usor de învățat;
-Este open source, atât placa de dezvoltare cât și mediul de programare.

Hardware-ul constă dintr-un open-source hardware board proiectat în jurul a 8 biți Atmel AVR microcontroler, sau de 32 de biți Atmel AMR. Modelele actuale sunt dotate cu o interfață USB, 6 pini de intrare analogice, precum și 14 pini de I/O digitale, care permite utilizatorului să se atașeze mai multe plăci de extensie. Uno înseamnă unu în limba italiană și este numit așa pentru a marca viitoarea lansare Arduino 1.0 IDE. Arduino Uno are încorporat un circuit integrat de înaltă performanță Atmega328, un microcontroler de tip RISC. Atmega328 are o memorie Flash de 32 kBytes (0.5KB utilizați pentru bootloader), RAM de 2Kbytes, 1KB de EEPROM, 28 de pini din care 14 pini digitali de intrare-ieșire și 6 pini analogici, frecvență maximă de funcționare este de 20MHz.

Tensiunea de alimentare a plăcii este de 5V, tensiunea de intrare recomandată fiind 7-12V.

Pentru pinii de I/O se va folosi un curent de 40 mA, în timp ce pentru pinul de 3,3V se alimentează cu 50 mA.

Figura II.1 Arduino Uno

Există 14 pini digitali de intrare/ieșire (I/O-input/output). Aceștia operează la o tensiune de 5V și pot fi controlați cu una din funcțiile: pinModel(), digitalWrite() si digitalRead(). Fiecare pin poate primii sau trimite o intensitate de 40 mA si au o rezistență internă între 20-50 KOhmi (default deconectată). În afară de semnalul I/O, unii dintre pini mai au și alte funcții specializate, care sunt descrise mai jos:

1. (serial) RX – pin serial, utlizat în special pentru recepția (intrare-Rx) datelor seriale asincrone (asynchronous serial communication). Protocolul serial asincron este o metodă foarte răspândită în electronică pentru a trimite și recepționa date între dispozitive. Acest protocol este implementat în dispozitiv numit UART (Universal Asynchronous receiver/transmitter).

2. (serial) Tx- pin serial, utilizat pentru transmiterea datelor asincrone (ieșire-Tx).

TTL vine de la transistor-transistor logic.

3. (external interrupts) întrerupere externă. Acest pin poate fi configurat pentru a declanșa o întrerupere la o valoare mica, un front crescător sau descrescător, sau o schimbare în valoare.

4. (external interrupts + PWM) întrerupere externă. Identic cu pinul 2. Suplimentar, toți pinii marcați cu semnul ~ pot fi folosiți și pentru PWM ( pulse width modulation).

5. (I/O) pin standard intrare/ieșire.

6. (PWM) poate furniza control de ieșire pe 8-bit pentru controlul PWM.

7. PWM.

8. (I/O) pin standard intrare-ieșire.

9. (I/O) pin standard intrare-ieșire.

10. (PWM).

11. (PWM + SPI) – suportă comunicare prin interfață serială (Serial Peripheral

Interface), SPI-ul are patru semnale logice specifice iar acest pin se folosește pentru

SS-slave select ( active low; output din master). Pinii SPI pot fi controlați folosind

librăria SPI.

12. (PWM + SPI) – suportă SPI, iar acest pin se folosește pentru MISO/SIMO –

Master Output, Slave Input (output master).

13. (SPI) – suportă SPI, iar acest pin se folosește pentru MISO/SIMO – Master Input,

Slave Output (output din slave).

14. (LED + SPI) – suportă SPI, iar acest pin se folosește pentru SCK/SCLK – ceas

serial (output din master). De asemenea, pe placă este încorporat un LED care este

conectat la acest pin. Când pinul este setat pe valoarea HIGH este pornit, când are

valoarea LOW este oprit.

15. (GND)- împământare. Aici se pune negativul.

16. (AREF) – Analog REFerence pin – este utlizat pentru tensiunea de referință

pentru intrările analogice. Se poate controla folosind funcția analogReference().

17. (SDA) – comunicare 12S.

18. (SDA) – comunicare 12S.

Jos, există o serie de 6 pini pentru semnal analogic, numerotați de la A0 la A5, fiecare din ei poate furniza o rezoluție de 10 biți (adică maxim 1024 de valori diferite). În mod implicit se măsoară de la 0 la 5 volți, deși este posibil să se schimbe limita superioară a intervalului lor folosind pinul 15 AREF și funcția analogReference(). De asemenea, și aici anumiți pini au funcții suplimentare descrise mai jos:

Standard analog pin.

Standard analog pin.

Standard analog pin.

Standard analog pin.

(SDA) – suportă comunicarea prin 2 fire (12S ( I-two-C) sau TWI ( Two wire Interface)). Acest pin este folosit pentru SDA (serial data) la TWI.

(SCL) – identic cu pinul 4, doar că acest pin este folosit pentru SCL ( Serial Clock) la TWI. Pentru controlul TWI se poate folosi librăria Wire.

Lângă pinii analogici de mai jos mai există o secțiune de pini notată POWER. Mai jos sunt prezentați începând de lângă pinul analogic A0:

● Vin – intrarea pentru tensiune din sursă externă ( Input Voltage).

● GND – negativul pentru tensiune din sursă externă ( Ground Voltage).

● GND – negativ. Se folosește pentru piesele și componentele montate la arduino ca ca și masă/împământare/negativ.

● 5V – ieșire pentru piesele și componentele montate la arduino. Scoate fix 5V dacă placa este alimentată cu tensiune corectă ( între 7 si 12 V).

● 3.3V – ieșire pentru piesele și senzorii care se alimentează la această tensiune.

Tensiunea de ieșire este de 3.3V și maxim 50mA.

● RESET – se poate seta acest pin pe LOW pentru a reseta controlerul de la arduino.

Este de obicei folosit de shield-urile care au un buton de reset și care anulează de obicei butonul de reset de pe placa arduino.

● IOREF – este folosit de unele shield-uri ca referință pentru a se comuta automat la

tensiunea furnizată de placa arduino ( 5V sau 3.3V) (Input/Output Reference Voltage).

● pin neconectat, este rezervat pentru conectări ulterioare ( la reviziile ulterioare ale plăcii probabil).

Placa Arduino UNO poate genera până la 6 semnale PWM pe pinii 3,5,6,9,10,11 deoarece microcontroller-ul este prevăzut cu un modul hardware special ce se ocupă de aceste semnale.

În situația în care cei 6 pini, PWM, nu sunt suficienți prin soft orice pin de intrare/ieșire de pe placa Arduino poate genera semnale PWM ceea ce duce la creșterea numarului de pini ce pot genera semnale PWM.

Schematicul unei plăcuțe Arduino UNO este:

Figura II.2 Schematic Arduino UNO

II.4 Aspecte privind programarea sistemului UNO:

Conectarea plăcii Arduino UNO se face prin conectarea cablului USB in Arduino și introducerea celuilalt capăt într-un port liber din calculator. Sistemul de operare va detecta un nou device și va cere instalarea unui driver.

Instalare IDE și driver – indiferent de sistemul de operare folosit, software-ul și driverele necesare pot fi descărcate gratuit de pe site-ul producătorului:  http://arduino.cc/en/Main/Software.

Mediul de dezvoltare IDE ( Integrated development Enviroment) este un set de programe care ajută programatorul în scrierea programelor.

Un mediu de dezvoltare combină toți pașii necesari creerii unui program ( editarea codului sursă, compilarea, depanarea, testarea, generarea de documentație) într-un singur soft care, de regulă, oferă o interfață grafică prietenoasă.

Figura II.3 Interfață grafică

Prezentare zonă meniu:

Principalele componente ale unui mediu de dezvoltare sunt editorul de cod sursă și debugger-ul.

Limbajul utilizat este Limbajul C.

Cu ajutorul IDE ( File > Examples > Basics > Blink) putem selecta diverse exemple ce ne permit înțelegerea limbajului de programare.

Acest exemplu permite stingerea/aprinderea unui led ce este deja montat pe majoritatea plăcilor Arduino.

Editorul de text va încărca automat următorul cod:

/*

Blink

Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.

This example code is in the public domain.

*/

// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.

// give it a name:

int led = 13;

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup() {

// initialize the digital pin as an output.

pinMode(led, OUTPUT);

}

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop() {

digitalWrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level)

delay(1000); // wait for a second

digitalWrite(led, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW

delay(1000); // wait for a second

}

Programul începe cu un comentariu, cuprins între marcajele speciale /* și */; aici se explică sumar ce face programul: va aprinde ledul o secundă apoi îl va stinge și va repeta acest ciclu la infinit.

Int LED = 13; – definește o variabilă de tip întreg al cărei nume este LED și îi alocă valoarea 13.

void setup()

pinMode(led, OUTPUT);

Funcția void setup este o funcție apelată automat la pornirea programului și este folosită pentru definirea de variabile, încărcarea bibliotecilor etc.

Funcția pinMode definește pinul 13 ca fiind un pin digital de ieșire. Pinul 13 are la majoritatea plăcilor arduino conectat un led.

void loop() – funcția loop este funcția principală ce va fi rulată de controler la infinit. Aici se pune codul C principal.

digitalWrite(led, HIGH) – va scrie pe portul 13 valoarea HIGH, ceea ceva determina controlerul să aplice acelui pin tensiunea de 5V și in consecință aprinderea ledului integrat.

Delay(1000); – funcția delay, forțează controlerul să facă o pauză de 1000 milisecunde, adică de o secundă, timp suficient pentru a observa ledul aprins.

digitalWrite(led, LOW) – în acest caz controlerul va scoate pe pinul 13 valoarea de 0V, stingând ledul.

Delay(1000); – după o noua pauză de o secundă, codul programului se va termina, iar controlerul va apela din nou funcția loop.

Compilarea și încărcarea codului:

Codul se află in acest moment în editorul IDE-ului dar nu și în controler. Pasul următor va necesita compilarea codului și scrierea lui în Arduino.

● Compilarea este procesul prin care mediul de dezvoltare transformă codul C într-un cod pe care Arduino îl poate executa.

● Scrierea codului în controler se face prin funcția de upload și presupune urcarea codului compilat din calculator în flash-ul microcontrolerului.

Pentru a realiza acești doi pași trebuie să îi spunem IDE-ului pe ce port serial se află conectată placa și de ce tip este.

● Indicarea modelului plăcii în meniul TOOLS > BOARD (ex. Arduino UNO).

● Indicarea portului pe care s-a conectat placa Arduino în meniul TOOLS > SERIAL PORT ( în general este o singură opțiune).

Încărcarea programului pe placă: FILE > UPLOAD.

CAPITOLUL III

Aspecte privind interfațarea elementelor I/O din sistemele de automatizare

Din ce în ce mai multe municipalități adoptă soluții smart pentru orașe și acest lucru devine o prioritate odată cu creșterea populațiilor urbane și nevoii de a folosi resursele în mod cât mai eficient.

Internet of Things, sau IoT, transformă industriile și experiențele utilizatorilor la nivelul întregii economii globale, aducând o schimbare semnificativa în modul în care este generată valoarea pentru consumatorul final, de la reducerea costurilor de producție, la îmbunătățirea eficiențelor în zonele de servicii și de cercetare – dezvoltare. Software-uri, senzori și conectivitatea sunt din ce în ce mai des integrate în produsele nou-proiectate și fluxurile de date sunt capturate și analizate în timp real.

În acest fel, produsele pot fi îmbunatățite prin acces de la distanță și prin intermediul aplicațiilor de servicii post-vanzare, accelerând inovarea produselor inteligente și livrând un plus de valoare prin serviciile integrate de-a lungul întregului ciclu de viață al produsului.

Noua revoluție industrială își va găsi aplicabilitate în toate domeniile:

Energia electrică;

Figura III.1 Energia electrică -> este esența lucrurilor în mișcare

Telecomunicații;

Figura III.2 Telecomunicațiile elementul de bază către Smart City

Transportul;

Figura III.3 În era tehnologiilor informației și de telecomunicații deplasarea în orașele aglomerate nu mai constituie o prolemă

Siguranță publică;

Figura III.4 Siguranța publică este asigurată prin utilizarea dispozitivelor și instrumentelor inteligente.

Infrastructura inteligentă.

În noua revoluție industrială senzorii și semnalele sunt părți integrate ale aplicațiilor Internet of Things. Aceștia colectează informații care permit diferitelor echipamente instalate să comunice și să lucreze împreună. Senzorii trebuie să fie susținuți de o rețea sigură și puternică ce are capacitatea să tolereze inevitabilele erori și defecțiuni care vor apărea de-a lungul timpului.

Folosirea unui singur tip de senzori nu poate da rezultate satisfăcatoare. Se pune deci

problema găsirii unei metode care să combine într-un mod eficient informațiile de la o multitudine de senzori de categorii și caracteristici diferite.

Termenul cel mai des întâlnit în literatura de specialitate este „fuziune de senzori”. Fuziunea trebuie să fie efectuată pe urmatoarele trei nivele:

– Trebuie să combine măsuratori de senzori de categorii diferite;

– Trebuie să combine masuratori din poziții diferite;

– Trebuie să combine măsurători efectuate la diferite intervale de timp.

III.1 Senzori de distanță:

Figura III.5 Senzor HC-SR04

Sunt acei senzori care oferă informații despre distanța între senzor și obiectul de măsurat din mediu. Categoria de senzori cea mai des întâlnită o constituie categoria senzorilor ultrasonici. Întâlniți în literatura de specialitate și sub denumirea de sonar, senzorii ultrasonici folosesc un principiu oarecum asemanator cu senzorii IR., dar în loc de a transmite fascicole luminoase, ei folosesc semnale acustice. Un emițător transmite un semnal acustic în mediu, urmând apoi ca reflecția acestuia să fie receptionată de componenta detector a senzorului. Timpul în care semnalul este receptat înapoi de senzor precum și atenuarea semnalului reprezintă aspecte exploatate de diferitele tipuri de senzori sonar.

Sunetele transmise de senzori sunt de regulă în spectrul de sunete ultrasonice, avănd o frecvență foarte înaltă pentru a nu putea fi detectate de urechea umană.

Sensibilitatea unui senzor ultrasonic nu este uniformă, ci consista dintr-un lob principal și cateva loburi laterale mai mici. De asemenea, această sensibilitate diferă de la un senzor la altul. Senzorii cu ultrasunete se bazează pe principiul de măsurare a timpului care se propagă în aer. Frecvențele cu ultrasunete aflate în afara intervalului auzului uman sunt emise de senzor.

Integrați foarte bine și extrem de puternici, senzorii sunt de natura să recunoască ("să simtă") obiecte, indiferent de culoarea lor, proprietățile de suprafață sau de transparență și de măsurare a distanței de la senzor la o anumită țintă.

Senzorii cu ultrasunete sunt extrem de rezistenți la murdărie . Ei nu sunt afectați de praf , fum , vapori sau alți contaminanți.

Senzorul de ultrasunete HC-SR04 funcționează pe principiul sonarului pentru a aprecia distanța până la un obiect, oferind o mare precizie a distanței măsurate: de la 2 cm până la 400 cm, cu precizie de pana la 3 mm. Modulul include atât Transmițătorul (T) care trimite semnalul cât și Receptorul (R) care îl recepționează.

Ultrasunetele au o frecvență ridicată (în principiu 40kHz). La început este trimis un semnal de 10μs, apoi o serie de 8 impulsuri de 40 kHz. Receptorul așteaptă ecoul: dacă răspunsul este între 150μs-25ms se detectează un obstacol; dacă timpul este peste 38ms nu se detectează nimic).

Informațiile de la senzorii cu contact sunt generate prin cuplare directă sau indirectă. Cuplarea indirectă permite măsurarea forțelor și momentelor care solicită un întreg sistem mecanic, de exemplu, efectorul final. În cazul cuplării directe, informația este generată de contactul nemijlocit dintre senzor și obiect.

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare 5V;

Curent consumat 15mA;

Distanța de funcționare (2-4) cm;

Unghi de măsurare 15°;

Eroare de doar 3mm;

Durata semnal imput 10µs;

Dimensiuni 45mm x 20mm x 15mm;

Senzorul ultrasonic HC-SR04 este unul dintre cei mai populari și usor de realizat senzori de distanță. Este compatibil cu Arduino și prezintă câteva avantaje față de senzorii de distanța analogici:

Necesită doar pini I/O digitali;

Are imunitate mare la zgomot.

Acest sensor consumă puțină energie și prezintă 4 pini: VCC și GND care sunt folosiți pentru alimentare și 2 pini digitali utilizați pentru unda emisă (trigger) și unda recepționată (echo). Măsurarea distanței se bazează pe diferența dintre momentul de timp la care s-a transmis trigger-ul și momentul la care acesta se detectează înapoi.

III.2 Senzori IR:

Figura III.6 Senzori IR pentru detecția obstacolelor

Senzorul de obstacole se bazează pe reflexia radiației IR de către obstacol. Radiația IR este emisă de către un LED și este recepționată de către un fototranzistor.

Modulul poate fi folosit și pentru a detecta linia albă sau neagră de către roboți.

Output-ul senzorului este digital. Distanța de detecție poate fi reglată dintr-un potențiometru.

Modulul conține două led-uri indicatoare, unul pentru alimentare și celălalt pentru detectarea obstacolului.

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 3V – 5V;

Distanță sesizare obstacol: 2cm – 30cm;

Unghi observare obstacol: 35;

Output digital;

Comparator LM393;

Tensiune de referință reglabilă.`

Figura III.7 Senzori IR

Modulul se alimentează la o tensiune de 3-5 V și are un unghi de observare a obstacolelor de 35°. Cu ajutorul potențiometrului putem modifica nivelul de referință, astfel încât să ajustăm sensibilitatea, deci, distanța la care modulul detectează obstacole. Comparatorul furnizează la ieșire 1 logic atunci când nu detectează obstacole și 0 logic atunci când întâlnește un obstacol.

Figura III.8 Părți componente senzor IR

III.3 Senzorul TRCT5000:

Senzor TCRT5000 (infrared reflection) Compatibil Arduino:

Figura III.9 TCRT 5000

Simte prezența unui obiect utilizând fasciculul IR reflectat de obiect. Este un senzor reflectorizant format dintr-un emițător în infraroșu și un fototranzistor. Modulul se poate folosi în construirea unui robot ce urmărește o linie (line-follower). Acesta se alimentează la 5V și are o ieșire logică.

Figura III.10 Conectare TCRT5000

III.4 Servomotoarele:

Servomotorul este un element component al unui sistem, care funcțional implică poziții relativ reglabile între anumite elemente componenete ale sale. Servomotorul poate avea poziție fixă, blocat pe sistem, în imediata lui apropiere sau poate fi conținut în subsistemul unui element cu poziție reglabilă. Puterea motorului servomotorului determină viteza de modificare a poziției relative și frecvența de modificare a poziției relative. Puterea acestuia este invers proporțională cu nivelul de precizie al servomotorului. Soluția tehnică care definește servomotorul, implica soluții constructive simple, care funcțional, impun un consum redus de energie, o cinematică definite de mișcări liniare, circulare sau combinări ale acestora. Soluția tehnică care definește servomotorul are o arie largă de aplicabilitate, fiind concepută pentru o multitudine de sisteme, prin acestea inducând soluțiile tehnice și constructive pentru sistemele în care este agreat funcțional, rezultatul global fiind soluții constructive compacte, modulate, interschimbabile, standardizate pentru servomotoare.

Sunt utilizate în foarte multe aplicații. Ele sunt mici în dimensiuni, dar sunt foarte puternice și prezintă un consum redus de energie. Aceste caracteristici permit ca ele să fie folosite în aplicații cu unde radio pentru a controla de la distanță mașini de jucărie, roboți, avioane. Aceste mici servomotoare sunt folosite și în aplicații industriale, robotică, linii de fabricație, industria farmaceutică, prestări servicii.

Circuitul servo este construit chiar în interiorul blocului motor și are un arbore poziționabil, care de obicei este echipat cu o roată dințată. Motorul este controlat printr-un semnal electric care determină cantitatea de mișcare a arborelui.

Figura III.11 Micro servomotor

În interiorul servomotorului găsim:

un mic motor de curent continuu;

potențiometru;

circuit de comandă.

Poziția dorită este stabilită prin impulsuri electrice prin firul de semnal. Viteza motorului este proporțională cu diferența dintre poziția reală și poziția dorită . Așa că , dacă motorul este aproape de poziția dorită, se va deplasa încet, în caz contrar se va deplasa rapid . Aceasta se numește control proporțional. Acest lucru înseamnă că motorul va rula doar atât cât este necesar roțile dințate cu roata de control.

Pe măsură ce motorul se rotește, se modifică rezistența potențiometrului, astfel încât circuitul de control poate regla cu precizie cât de mare trebuie să fie mișcarea și în ce direcție. Când arborele motorului se află în poziția dorită , puterea furnizată motorului este oprită.

Figura III.12 Părțile componenete ale unui micro servomotor

Servomecanisme sunt controlate prin trimiterea unui impuls electric de lățime variabilă , sau prin modulare a lățimii impulsului ( PWM ) , prin firul de control.

Există un puls minim, un puls maxim , și o rată de repetiție .

Un servo motor, de obicei, se poate deplasa numai cu 90 de grade în ambele direcții , pentru un total de 180 de grade de circulație .

Poziția neutră a motorului este definit ca poziția în care servo are aceeași cantitate de potențial de rotație în sensul acelor de ceasornic, atât în ​​direcția cât și invers acelor de ceasornic .

PWM-ul trimis la motor determină poziția arborelui, și se bazează pe durata impulsului transmis prin conductorul de comandă după care rotorul se va întoarce la poziția dorită. Servomotorul se așteaptă să vadă un impuls la fiecare 20 milisecunde ( ms ), iar lățimea pulsului va determina cât de departe se deplasează motorul .

De exemplu , un impuls 1.5ms va face motorul să-și deplaseze poziția cu 90 de grade . Mai scurt decât 1.5ms se mută la 0 grade , și mai mult decât 1.5ms se va deplasa la 180 de grade .

Figura III.13 Controlul servomotorului prin PWM

Atunci când aceste servomecanisme sunt comandate să se deplaseze, se vor deplasa la poziția cerută și va menține această poziție . În cazul în care o forță externă împinge împotriva servomotorului în timp ce acesta menține o poziție , servomotorul va rezista la mutarea din această poziție . Valoarea maximă a forței pe care o poate exercita servomotorul este numit rating-ul de cuplu al servomotorului. Servomecanismele nu vor menține poziția lor pentru totdeauna, pulsul poziției trebuie să fie repetat pentru a instrui servomotorul să rămână în acea poziție.

Un servo este un motor de curent continuu (DC) cu componentele electronice necesare pentru a poziționa axa de rotație, prin generarea unui semnal de modulație poziție (PPM). Majoritatea servomecanismelor utilizează o perioadă de standard de 20 ms și poate fi mutat de la poziția sa minimă cu o lățime de impuls ( de obicei 0.5 ms) spre poziția sa maximă (2 ms) trecând prin poziția sa intermediară ( în mod normal 1 ms). În realitate semnalul PPM, este un semnal PWM ( puls modulat) cu o frecvență de 50 Hz pentru controlul poziției. În mod normal controlul poziției unei axe se face cu un potențiometru intern care permite un feedback cu privire la această poziție. Fiecare model de servo poate avea unghiuri diferite la valoarea minimă și maximă.

Comanda servomotoarelor prin PWM – Modulația Impulsurilor în Lungime este o tehnică de a simula un semnal analogic folosindu-se de un semnal digital.

Semnalul digital poate lua două stări: ON și OFF ; „1” și „0”; 0V și 5V. Un semnal PWM te ajută să obții o mulțime de valori între 0 și 5V. De exemplu poți obține 2.5V ceea ce înseamnă că poți ajusta luminozitatea unui LED sau viteza de rotație a unui motor.

Semnalele PWM sunt utile:

pentru realizarea jocuri de lumini din LED-uri sau matrice,;

pentru a varia viteza de rotație a unui motor;

să controlezi unghiul unui servomotor;

să controlezi temperatura unei camere;

etc. .

Funcția analogWrite() permite generarea semnalelor PWM, dar pentru a se conforma cu standardele PPM vom folosi librăria Servo.

AC servo poate manipula supratensiunile de curenți mai mari și au tendința de a fi utilizate în mașini industriale .

Servomecanisme DC nu sunt proiectate pentru supratensiunile înalte și sunt, de obicei mai potrivite pentru aplicații mai mici .

În general vorbind, motoarele de curent continuu sunt mai puțin costisitoare decât cele de AC . Acestea sunt , de asemenea, motoare servo care au fost construite special pentru rotație continuă, făcând o modalitate ușoară de a menține în mișcare robot . Ele sunt dotate cu doi rulmenți cu bile pe arborele de ieșire pentru frecare redusă și un acces ușor la potențiometru de reglare a punctului de repaus.

Motoarele servo sunt mici, s-au construit în circuitele de comandă și au o putere bună pentru dimensiunea lor .

III.5 LCD 16 X 2:

Figura III.14 LCD 16 X 2

Pentru afișsarea informațiilor primite de la senzori și de a știi poziția servomotoarelor se poate folosi un LCD pentru afișsarea acestor informații.

LCD-urile folosite împreună cu Arduino se interfațează la fel. Singura diferență este dimensiunea lor. Astfel, LCD 16 X 2 permite 16 coloane și 2 linii de caractere (adică un total de 32 de caractere). Ca să fie folosit împreună cu Arduino trebuie sa fie conectat la o placuță Arduino împreună cu un potențiometru, pentru reglarea contrastului (nu funcționează fără el).

CAPITOLUL IV

Parcare automatizată utilizând platforma Arduino UNO destinată spațiilor comerciale

IV.1 Proiectare hardware:

Orașele tind să se dezvolte din ce în ce mai mult atrăgând din ce în ce mai

mulți locuitori. Aglomerația și consumul tind să atingă cote foarte înalte astfel autoritățile trebuie să găsească soluții pentru o administrare cât mai eficientă a orașului.

Una din principalele probleme o reprezintă traficul mai ales în orașele în care mijloacele de transport în comun sunt deficitare iar locuitorii, inclusiv străinii care vizitează orașul, folosesc propriile mașini. Astfel apare o problemă reală în găsirea unui loc de parcare. Căutarea unui loc de parcare arde aproximativ 1 milion de barili de petrol în fiecare zi în lume. Acest consum de carburant duce automat la scăderea calității aerului.

Un prim pas în rezolvarea acestei probleme îl reprezintă automatizarea parcărilor transformându-le în parcări inteligente. Astfel se poate ști de la început câte locuri de parcare sunt libere fără a mai putea intra în parcare și înconjura toată parcarea în speranța de a găsi un loc liber. Utilizarea unor senzori cu costuri reduse pot trimite informațiile necesare pentru a avea o parcare inteligentă, de asemenea aceste date pot fi stocate in timp real pentru a putea ca oamenii să-și rezerve online un loc de parcare și să plătească online.

Vcc

Vcc

Figura IV.1 Schemă bloc

Figura IV.2 Conexiuni electrice

Figura IV.3 Machetă parcare automatizată

Unitatea centrală este formată dintr-un controler Arduino UNO cu ajutorul căruia se pot comanda servomotorul.

Se folosesc senzori TCRT5000 pentru detectarea vehiculelor și oferirea de informații necesare unității centrale.

Servomotorul este un FS90MG cu ajutorul căruia se acționează bariera pentru a putea intra sau ieșii din parcare.

Blocul de alimentare are rolul de a genera o tensiune fixă care să asigure funcționarea în condiții optime a întregului sistem. El cuprinde o mufă de alimentare ce permite atașarea unei baterii de 9V și un stabilizator de tensiune ce oferă o tensiune fixă, 5V, sistemului. Tensiunea este afișată cu ajutorul unui voltmetru digital.

Pentru simularea unei parcări inteligente avem nevoie de următoarele componente:

Unitatea centrală:

Unitatea centrală – este blocul logic care gestionează funcționarea întregului sistem de calcul (CPU – central proccesing unit), și este alcătuită în jurul unui procesor.

Microcontroler-ul are la bază un microcircuit ce încorporează unitatea centrală ( CPU) și o memorie și împreună cu perifericele permit interacțiunea cu mediul exterior. Utilizarea acestor microcontrolere au dus la reducerea costurilor, consumului, dimensiunilor dar și a creșterii fiabilitații.

Memoria într-un sistem de calcul este de 2 tipuri:

ROM – unde există posiblitatea doar de citire a datelor;

RAM – se referă la posibilitatea de stocare și accesare a datelor într-un mod

non-secvențial, ceea ce înseamnă că orice cantitate de date poate fi accesată în mod direct. La

dispariția tensiunii de alimentare informația stocată în acest tip de memorii se pierde.

Memoiile RAM pot fi de tipul Static RAM (SRAM) sau Dinamic RAM (DRAM).

Circuitele I/O – permit conectarea diverselor tipuri de echipamente periferice la

magistrala sistemului de calcul. De obicei fiecare echipament periferc își are propriul cuplor. Prin intermediul acestor cuploare sunt gestionate echipamentele periferice.

Echipamentele periferice – cu ajutorul lor un microsistem de calcul se interfațează cu mediul exterior, inclusiv cu operatorul uman.

În funcție de puterea de calcul dorită se poate alege și de alte caracteristici se pot

alege variante de microcontroler având dimensiunea cuvântului de date de 4, 8, 16 sau 32 de biți.

Arduino UNO este unitatea centrală și are la bază integratul ATMEGA328P, fiind un

microcontroller pe 8 biți și are următoarele caracteristici:

Funcționare pe deplin statică;

32 kb memorie Flash;

1024B memerie EEPROM;

2048 memorie SRAM;

Carcasă DIP 28;

Frecvență de sicronizare – 20 MHz;

Periferic:- RTC, comparator, watchdog;

Număr intrări/ieșiri: 23;

Număr canale PWM: 6;

Număr timere 8 biți: 3;

Montare: THT;

Tensiune de lucru: 1,8÷5,5 V;

Număr adaptoare A/C 10 biți: 8;

Interfață: – SPI x2;

– TWI;

– UART;

– masă brută: 4,21 g;

– temperatură de lucru : -450÷800 C;

Figura IV.4 ATMega328P

Micro servomotoare:

În acest proiect folosim 1 microservomotoar cu următoarele carcateristici:

Dimensiune: 23.2*12.5*22 mm;

Masa: 14g;

Viteza: – 0.12s/ 60 grade (4.8V);

– 0.10s/60 grade (6V);

– Cuplu maxim: – 1.5 kg*cm (4.8V);

– 1.6 kg*cm (6V);

– Tensiunea de alimentare: 4.8÷6V;

– Sistem de control: analog;

– Deplasare unghiulară: 180 grade;

– Puls: 900µs÷2100 µs;

– Tip mecanism: metal;

– Tip motor: metal;

– Lungime cablu cu conector: 20cm.

Micro servomotorul are următoarele părți componente:

angrenaj;

potențiometru pentru controlul unghiului de deplasare;

motor electric;

unitatea de control a motorului;

cablu de conectare.

Figura IV.5 Servomotor

Schema de conectare a servomotoarelor la Arduino Uno este prezentată mai jos:

Figura IV.6 Conectare Servomotoare

Aceste servomotoare au 3 fire:

firul portocaliu este folosit pentru semnalul PWM și se conectează la pinul 8, respectiv 9 al plăcuței Arduino UNO;

firul roșu reprezinta VCC – alimentarea motorului;

firul maro – GND.

Figura IV.7 Conectarea servomotorului

Servomotorul va fi conectat la pinul 5 al Arduino UNO.

Afisaj LCD 1602 I2C:

Pentru a putea ști situația locurilor de parcare se va afișa pe display ce locuri sunt libere și starea parcării.

Figura IV.8 Conectarea Afisajului LCD

Acest LCD este ideal pentru proiecte în care nu avem foarte mulți pini disponibili de la microcontroller deoarece conține un adaptor pentru interfață I2C ce are nevoie de doar 2 conexiuni (SDA și SCL) + conexiunea de masă. LCD-ul poate sa afișeze 16  caractere pe 2 randuri, are backlight de culoare albastră, și dispune de un backpack I2C care permite conectarea la Arduino folosind doar 2 fire.

LCD-ul are contrast ajustabil, culoarea caracterelor este alba, iar backlight-ul albastru.

Bibliotecile necesare sunt "Wire.h" și "LiquidCrystal_I2C.h". Prima bibliotecă este inclusă în platforma de dezvoltare Arduino IDE, iar cea de-a doua poate fi descărcată de la fișierele atașate mai jos.

Adresa I2C a LCD-ului este, de obicei, 0x27.

În caz că această adresă nu funcționează, puteți utiliza adresa 0x3F.

În cazul în care nu puteți vedea caracterele afișate pe ecran, pe spatele modului există un potențiometru albastru care are ca scop setarea contrastului.

Pinul SDA al afișorului va fi conectat la pinul A5 de la Arduino UNO.

Pinul SCL al afișorului va fi conectat la pinul A4 de la Arduino UNO.

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 5 V;

Curent: 1.1 mA;

Tensiune de alimentare backlight: 4.2 V;

Curent backlight: 100 mA.

Dimensiuni: 80 mm x 36 mm x 12 mm.

Senzorul TRCT5000:

Pentru detectarea locurilor libere sau ocupate folosim senzorul TRCT5000. Este un senzor IR în care un fascicul IR este transmis cître țintă și fasciculul reflectat este capturat de fotodiodă.

Figura IV.9 TRCT5000

Fotodioda măsoară intensitatea luminii care reprezintă distanța dintre țintă și senzor. Intensitatea se reduce cu creșterea distanței până la obiectul detectat.

Figura IV.10 Mod funcționare TRCT5000

Pentru montajul nostru folosim un rezistor de 100 Ohm și unul de 4.7 KOhm dupa cum urmează:

Figura IV.11 Mod conectare TRCT5000

Vom folosi pinii digitali 8,9,10,11,12,13 pentru determinarea stării locurilor de parcare.

Pinul 6 va fi folosit pentru detectarea vehiculelor la intrarea în parcare iar pinul 7 pentru detectarea vehiculelor la ieșirea din parcare.

Bloc alimentare:

Stabilizatoarele de tensiune ce conțin dispozitive electronice se numesc stabilizatoare

electronice de tensiune (SET). Necesitatea folosirii stabilizatoarelor electronice de tensiune este impusă de cerințele de alimentare a anumitor tipuri de circuite electronice.

Un stabilizator de tensiune este reprezentat în figura de mai jos:

Figura IV.12 Stabilizator de tensiune

Stabilizatorul de tensiune continuă este un circuit electronic ce menține cât mai constantă tensiunea de ieșire în raport cu:

variația tensiunii de intrare, ;

variația sarcinii, ;

variația temperaturii ambiante, .

Componentele sistemului SMART Parking necesită o tensiune fixă de 5V. Pentru a putea avea această tensiune fixă vom folosi un stabilizator de tensiune ce are la bază LM7805. Schema electrică a acestei surse este următoarea:

Figura IV.13 Sursă de tensiune stabilizată

Circuitul integrat LM7805 este un stabilizator de tensiune care se găsește sub mai multe forme cu diferite caracteristici. Fiecare tip prezintă o anumită limitare de curent, o stopare termică și o arie de lucru sigură, ceea ce înseamnă o durabiliate mare. Dacă îi este asigurat un regim de lucru adecvat poate livra un curent de ieșire de peste 1A. prin folosirea diferitelor componente adiționale se poate regla atât tensiunea cât și curentul.

Schema bloc a unui LM7805 este următoarea :

Figura IV.14 Schemă bloc 7805

Parametrii:

tensiunea de ieșire 5V;

curent 1,5A;

protecție la scurtcircuit;

protecție la supraîncălzire;

Pentru a putea genera o tensiune fixă de 5V la ieșire este necasar ca alimentarea

stabilizatorului să fie făcută cu o tensiune cuprinsă între 7÷35V. În funcție de curentul necesar aplicației în care este utilizat stabilizatorul se folosește tipul de LM7805 corespunzător. De exemplu pentru curenți mai mici, de 100mA, se poate folosi LM78L05.

Condensatoarele C1 și C4 sunt condensatoare electrolitice și sunt folosite pentru filtrarea

tensiunii. Ele se calculează cu ajutorul următoarei relații:

(4.3)

Alegem C1 de 470µF pentru o filtrare mai bună a tensiunii iar C4 de 100µF deoarece tensiunea este deja filtrată. Condensatorii C2,C3 sunt utilizați pentru deparatizarea eventualelor vârfuri de zgomot.

C1 caracteristici:

Condensator electrolitic cu impedanță redusă;

Montare THT;

Capacitate 470 µF;

Tensiune de lucru 16V;

Toleranță ±20%;

Impedanță 0,1Ω;

Temeperatură: -40…105oC.

C4 parametrii:

Condensator electrolitic;

Montare THT;

Capacitate 100µF;

Tensiune de lucru 16V;

Temperatură:-40…105 oC.

C2,C3 parametrii:

Capacitate 100nF.

Condensatori ceramici;

Tensiune de lucru 100V.

Pentru a asigura o răcire corespunzătoare vom folosi un radiator de aluminiu ce se montează pe LM7805.

Dioda 1N4007 este folosită pentru a împiedica deteriorarea sursei de alimentare în cazul în care au loc conectări incorecte în sistem.

Descrierea pinilor pentru LM7805 este prezentată în tabelul de mai jos:

Figura IV.15 Descriere pini LM7805

Figura IV.16 LM7805

Pentru afișarea tensiunii generate de stabilizatorul de tensiune folosim un volmetru digital, cu 3 fire, ce măsoară o tensiune continuă între 2.5V și 30V. Afișajul este de culoare roșie.

Voltmetrul prezintă 3 digiți, fiecare digit reprezentând un decodificator BCD – 7 segmente – comandă sistemele de afișaj numeric realizate cu șapte segmente luminoase care pot fi becuri, Led-uri sau cristale lichide.

Figura IV.17 Voltmetru digital

Caracteristici:

Display 3 digiți 0.36”;

Acuratețe măsurare 0.1%;

Rată refresh aproximativ 300ms/times;

Impedanța de intrare aproximativ 100kΩ;

Dimensiuni: 33mm*15mm*10mm;

Temperatura de functionare: -10/+65 grd.

Firul roșu = (+) plusul.

Firul negru=(-) minusul.

Firul alb= intrare măsurare (doar tensiune pozitivă).

Pentru măsurare 0 – 32 V DC se face alimentare separată intre 3.7V – si max 32V, firul roșu (+) și firul negru (-) și cu firul ALB (mas. in+) .
În cazul folosirii doar cu 2 fire, se unește firul Alb (mas. in+) cu firul roșu (+) dar va măsura între 3.7V si 32V.

IV.2 Proiectare cablaj:

Proiectarea cablajului presupune:

crearea footprinturilor pentru fiecare componentă;

imprimarea footprinturilor pe cablaj;

corodarea cablajului;

găurire;

montarea componentelor pe cablaj;

testare.

Amprenta cablajului este prezentată în figura următoare:

Figura IV.18 Cablaj Top

Figura IV.19 Cablaj Bottom

Figura IV.20 Cablaj cu stabilizator 5V pentru arduino UNO

CAPITOLUL V

Proiectare Software

V.1 Descrierea în limbaj natural a funcționării sistemului:

Sistemul reprezintă o parcare inteligentă. Numărul de locuri disponibile este afișat pe

un display LCD. Atunci când în parcare nu mai sunt locuri libere pe display se va afișa mesajul “Full”. Dacă există locuri libere pe display se va afișa numărul de locuri disponibile precum și locul acestora.

Pentru a putea intra sau ieși din parcare va trebui acționat un servomotor care va ridica sau coborî bariera. Rolul servomotorului este de a transforma comenzile electrice provenite de la Arduino în mișcare. Mișcarea lui este proporțională cu comanda electrică. Servomotorul va avea o deplasare totală de 180 grade pe o axă.

Viteza este o măsura a timpului necesar pentru ca brațul servomotorului să parcurgă un anumit număr de grade.

Cuplul se referă la forța pe care brațul servomotorului o exercită asupra obiectului și se exprimă în kg/cm.

Spre exemplu, viteza unui servomotor medium este de 0.20 sec/60 grade la o tensiune de limentare de 4.8V. Asta înseamnă ca brațul servomotorului parcurge 60 de grade în doar 0.20 secunde.

Arduino va acționa servomotorul atunci când detectează un autovehicul la intrare/ieșire cu ajutoul senzorului Tcrt5000.

Pentru a putea determina numărul de locuri disponibile din parcare vom atașa la fiecare loc de parcare câte un senzor tcrt5000.

Când nu există locuri disponibile în parcare Arduino nu va mai acționa servomotorul atunci când detectează un vehicul la intrarea în parcare.

Limbajul folosit pentru programare este C.

V.2 Organigrama de lucru a sistemului cu Arduino:

V.2.1 Intrarea în parcare:

NU

DA

NU DA

V.2.2 Ieșirea din parcare:

NU DA

NU DA

V.3 Proiectare Software:

#include <Servo.h> //incarcare librarie servo;

#include <Wire.h> //incarcare librarie conexiuni;

#include <LiquidCrystal_I2C.h> //incarcare librarie Display I2C

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); //initializare librarie cu pinii de interfata

Servo myservo; //declarare servomotor;

int y = 0; // afisare nr de parcare liber

byte val[6];

int place[]={13, 12, 11, 10, 9, 8}; // pinii aferenti celor 6 locuri de parcare;

int in = 6; // senzorul de intrare in parcare

int out = 7; // senzorul de iesire

int count=0; // numarare masini intrate/iesite;

int pos=0; //pozitia servomotorului;

int valout=0; // detectare masina la iesirea din parcare;

int valin=0; // detectare masina la intrarea in parcare

int B; // locuri ocupate;

void setup() {

Serial.begin(9600);

for(int i=0;i<6;i++){

pinMode(place[i], INPUT);

}

pinMode(in, INPUT); // setarea pinului 6 ca INPUT

pinMode(out, INPUT); // setarea pinului 7 ca INPUT

myservo.attach(5); //conectarea servomotorului la pinul 5

lcd.begin(16, 2); //lcd 16 coloane, 2 linii

lcd.setCursor(0, 0); // setarea cursorului la pozitia 0;

lcd.print("Ing. Electrica"); // testarea functionarii lcd-ului

//testare functionare servomotor

myservo.write(0);

for (pos = 0; pos <= 30; pos += 1) {

myservo.write(pos);

delay(20);

}

delay(1000);

for (pos = 30; pos >= 0; pos -= 1) {

myservo.write(pos);

delay(20);

}

lcd.clear();

lcd.setCursor(0, 0);

count=0;

}

void loop() {

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Free Place:");

lcd.setCursor(0, 1);

for( y=0;y<6;y++)

{

val[y]=digitalRead(place[y]);

if(val[y]==1){

lcd.print(y+1);

}

}

lcd.print(" ");

valin=digitalRead(in);

valout=digitalRead(out);

if(count>=6){

count=6;

myservo.write(0);

delay(1000);

lcd.setCursor(5, 1);

lcd.print(" Full");

}

else{

myservo.write(30);

delay(20);

}

lcd.setCursor(12, 1);

lcd.print(" B:");

lcd.print(count);

if(count>=6){

lcd.setCursor(5, 1);

lcd.print(" Full ");}

// iesirea din parcare

if(valout==LOW){

while(valout==LOW){

valout=digitalRead(out);

}

count++;

if(count<7){ }

delay(1000);

}

// intrarea in parcare

if(valin==LOW){

while(valin==LOW){valin=digitalRead(in);}

count–;

if(count<=0){count=0;}

delay(100);

}

}

V.4 Concluzii și dezvoltări ulterioare:

Acesta este un sistem automat, controlat cu un microcontroller, Arduino UNO, și are ca scop evidențierea modului de conectare atât a elementelor de intrare precum și a celor de ieșire. De asemenea presupune și înțelegerea modului de programare a acestui sistem. Acest sistem este ieftin fiind gândit să aibă un hardware minimal.

Aceasta parcare inteligentă poate fi îmbunătățită.

Se pot folosi senzori RFID (Radio Frequency Identification Reader). RFID este un sistem de identificare asemănător tehnologiei cu cod de bare.Cu ajutorul unei cartele se poate verifica cine are voie să intre în parcare. Controlul accesului poate aduce o serie de avantaje:

accesul în zone speciale poate fi limitat;

stabilirea unui program în funcție de zile, sărbători, orar;

înregistrarea timpilor de intrare și ieșire;

O altă îmbunătățire o reprezintă realizarea unei aplicații, pentru telefoane inteligente, cu ajutorul căreia să putem ști în orice moment locurile disponibile din parcare de la distanță. Pentru aceasta este nevoie de un senzor wireless transmițător/receptor, un server pentru stocarea datelor, conexiune la internet, aplicație android.

Figura V.1 Arhitectura unei parcări inteligente IoT

Bibliografie

1. https://ro.scribd.com/doc/24853156/Sisteme-de-Automatizare – accesat în 2 mai 2018

2. Introducere in Teoria Sistemelor Automate – – http://ime.upg ploiesti.ro/attachments/article/102/TS%20Cap1.pdf – accesat in 2 mai 2018

3. http://www.roroid.ro/prima-lectie/ – Arduino – mediu de dezvoltare – accesat în 12 mai 2018

4. Arduino – https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino accesat in 6 mai 2016

5. http://anycomponents.fnhost.org/prezentare-platforma-arduino/- Prezentare Platformă Arduino – accesat in 10 mai 2018

6. http://documents.tips/documents/capitolul-6-despre-arduino.html – Placa de dezvoltare Arduino UNO – accesat 10 mai 2016

7. http://www.robofun.ro/docs/curs/64_600f0173-a7ca-47d0-a7e8-7244f6f95991/Arduino-SoftwarePWM.pdf – accesat în 25 iunie 2016.

8. http://www.roroid.ro/prima-lectie/ – Prezentare genarala mediu Arduino – accesat ăn 12 mai 2018

9. https://www.teguna.ro/wiki/Introducere_programare_Arduino – Introducere în programarea cu Arduino – accesat 10 mai 2018

10. http://urbanizehub.ro/tehnologiile-esentiale-ale-unui-oras-inteligent/ – accesat in 13 mai 2018

11. https://www.roweb.ro/ro/servicii/solutii-iot – accesat in 13 mai 2018

12. http://romaniasmartcities.ro/wp-content/uploads/2017/02/2015-01.pdf – Smart City – accesat în 13 mai 2018

13. http://urbanizehub.ro/tehnologiile-esentiale-ale-unui-oras-inteligent/ – accesat in 13 mai 2018

14. https://cleste.ro/arduino/modul-ir-urmarire-linie.html – accesat in 13 mai 2018

15. http://roboromania.ro/produs/senzor-tcrt5000-infrared-reflection-compatibil-arduino/ – accesat in 13 mai 2018

16. http://www.jameco.com/jameco/workshop/howitworks/how-servo-motors-work.html – accesat în 20 mai 2018

17. http://www.jameco.com/jameco/workshop/howitworks/how-servo-motors-work.html – accesat în 20 mai 2018

18. http://www.micropik.com/PDF/SG90Servo.pdf – accesat în 17 mai 2018

19. https://www.youtube.com/watch?v=vZ08Y5aqdpM&t=182s – Smart Parking – accesat in 12.04.2018

20. https://www.optimusdigital.ro/ro/optoelectronice-lcd-uri/2894-lcd-cu-interfata-i2c-si-backlight-albastru.html?search_query=lcd&results=155- accesat în 17 mai 2018

21. https://www.arduinoecia.com.br/2013/10/sensor-optico-reflexivo-tcrt5000.html accesat în 17 mai 2018

22. http://www.bel.utcluj.ro/rom/dce/goltean/dce/dce2/2_08_stabilizatoare_integrate.pdf – accesat 15 iunie 2016

23. https://www.researchgate.net/publication/320131181_An_IoT-based_E-Parking_System_for_Smart_Cities – accesat 22.05.2018

24. Sistem Pan&Tilt – Lucrare de licenta – Nicu Costel Cosmin

Anexa 1: Listing Program

#include <Servo.h> //incarcare librarie servo;

#include <Wire.h> //incarcare librarie conexiuni;

#include <LiquidCrystal_I2C.h> //incarcare librarie Display I2C

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); //initializare librarie cu pinii de interfata

Servo myservo; //declarare servomotor;

int y = 0; // afisare nr de parcare liber

byte val[6];

int place[]={13, 12, 11, 10, 9, 8}; // pinii aferenti celor 6 locuri de parcare;

int in = 6; // senzorul de intrare in parcare

int out = 7; // senzorul de iesire

int count=0; // numarare masini intrate/iesite;

int pos=0; //pozitia servomotorului;

int valout=0; // detectare masina la iesirea din parcare;

int valin=0; // detectare masina la intrarea in parcare

int B; // locuri ocupate;

void setup() {

Serial.begin(9600);

for(int i=0;i<6;i++){

pinMode(place[i], INPUT);

}

pinMode(in, INPUT); // setarea pinului 6 ca INPUT

pinMode(out, INPUT); // setarea pinului 7 ca INPUT

myservo.attach(5); //conectarea servomotorului la pinul 5

lcd.begin(16, 2); //lcd 16 coloane, 2 linii

lcd.setCursor(0, 0); // setarea cursorului la pozitia 0;

lcd.print("Ing. Electrica"); // testarea functionarii lcd-ului

//testare functionare servomotor

myservo.write(0);

for (pos = 0; pos <= 30; pos += 1) {

myservo.write(pos);

delay(20);

}

delay(1000);

for (pos = 30; pos >= 0; pos -= 1) {

myservo.write(pos);

delay(20);

}

lcd.clear();

lcd.setCursor(0, 0);

count=0;

}

void loop() {

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Free Place:");

lcd.setCursor(0, 1);

for( y=0;y<6;y++)

{

val[y]=digitalRead(place[y]);

if(val[y]==1){

lcd.print(y+1);

}

}

lcd.print(" ");

valin=digitalRead(in);

valout=digitalRead(out);

if(count>=6){

count=6;

myservo.write(0);

delay(1000);

// myservo.detach();

lcd.setCursor(5, 1);

lcd.print(" Full");

}

else{

myservo.write(30);

delay(20);

}

lcd.setCursor(12, 1);

lcd.print(" B:");

lcd.print(count);

if(count>=6){

lcd.setCursor(5, 1);

lcd.print(" Full ");}

// iesirea din parcare

if(valout==LOW){

while(valout==LOW){

valout=digitalRead(out);

}

count++;

if(count<7){ }

delay(1000);

}

// intrarea in parcare

if(valin==LOW){

while(valin==LOW){valin=digitalRead(in);}

count–;

if(count<=0){count=0;}

delay(100);

}

}

Anexa2: Datasheet componente folosite: