خانه / میکروکنترلرها / میکروکنترلر های AVR / پروژه های AVR / سیستم قرائت کنتور با استفاده از ZigBee

سیستم قرائت کنتور با استفاده از ZigBee

معرفی روش قرائت خودکار کنتور ( سیستم قرائت کنتور با استفاده از ZigBee )

در حال حاضر کنتورهای برق، آب و یا گاز با مراجعه ماهانه مأمور به محل نصب کنتورها قرائت می شود. با توجه به این که اغلب کنتورها در داخل منازل شخصی نصب هستند، اگر مصرف کننده در خانه نباشد مأمور نمی تواند مصرف مشترک را قرائت کند. عدم رضایت برخی مشترکین در مورد ورود مأموران قرائت کنتور به داخل منازل شخصی، استخدام نیروی انسانی، عدم امکان اندازه گیری مصرف لحظه ای مشترکین و در نتیجه عدم امکان مدیریت توزیع توان از دیگر مشکلات روش موجود است. به منظور رفع این مشکلات تلاشهایی برای قرائت هوشمند کنتور (AMR) در جهان در حال انجام است. سیستم قرائت کنتور با استفاده از ZigBee یکی از این روش ها است که در ادامه باهم برسی میکنیم.

سیستم قرائت خودکار کنتور با استفاده از شبکه مشZigBee
روش قرائت هوشمند کنتورها عبارت از فن‌‌آوری خودکار جمع‌آوری اطلاعات از کنتورهایی چون کنتور دیجیتالی آب، برق و یا گاز، انتقال آن داده‌ها به مرکز برای تجزیه و تحلیل آن داده‌ها و صدور صورت‌حساب برای مشترکان می باشد.
تکنولوژی اندازه گیری هوشمند قادر است مصرف انرژی و دیگر پارامترهای اندازه گیری را ذخیره کرده و در فواصل زمانی دلخواه گزارش دهد. این قرائت زمان واقعی به مصرف کنندگان این امکان را می دهد که از میزان مصرف انرژی و هزینه پرداختی به طور لحظه ای مطلع شوند و مصرف انرژی خود را متناسب با آن بخصوص در ساعات اوج مصرف کاهش دهند.

از طرفی در مراکز انرژی علاوه بر کاهش هزینه های ناشی از حذف نیاز به قرائت دستی کنتورها، اطلاعات زمان واقعی از چگونگی مصرف انرژی و در نتیجه امکان مدیریت توزیع توان فراهم میشود.در ادامه با میکرو دیزاینر الکترونیک همراه باشید تا بیشتر در مورد سیستم قرائت کنتور با استفاده از ZigBee یاد بگیریم.

استاندارد IEEE 802.15.4  و Zigbee

استاندارد IEEE 802.15.4 پروتکل و ارتباط بین وسایل را از طریق مخابرات رادیویی بی سیم در یک شبکه شخصی PAN تعریف می کند. این استاندارد در باند فرکانسی ISM (صنعتی، علمی و پزشکی)، MHz 868 در اروپا، MHz 915 در آمریکا و GHz 4/2 جهانی کار می کند. هدف ایجاد استانداردی با پیچیدگی بسیار پایین، هزینه بسیار پایین، مصرف توان بسیار پایین و نرخ داده پایین برای ارتباط بی سیم بین وسایل ارزان است.

استاندارد از روش دستیابی CDMA/CA استفاده می کند و توپولوژی های مش و ستاره را پشتیبانی می کند. حداکثر نرخ داده خام kbps250 است که اکثر نیازمندی های کنترل و اتوماسیون صنعتی متعدد را برای ارتباط بی سیم برآورده می سازد.
در حالیکه استاندارد IEEE 802.15.4 لایه فیزیکی و پروتکلهای MAC را مشخص می کند، پروتکلهای لایه های بالاتر توسط این استاندارد پوشیده نمی شود.

حتما در ادامه این مطلب را هم بخوانید:  فایل های پروژه ضبط و پخش صدا با میکروکنترلر و ISD4004

اتحادیه ZigBee سازمانی از شرکتهای صنعتی است که تکنولوژی های مبتنی بر استاندارد IEEE 802.15.4 را ترفیع می دهد و مجموعه مشخصات پروتکلهای سطح بالای مبتنی بر استاندارد IEEE 802.15.4 را منتشر می سازد. تکنولوژی ZigBee می تواند در کاربردهای مختلف صنعتی، ساختمانی، پزشکی، تجاری و غیره استفاده شود.

توپولوژی های تکنولوژی ZigBee

تکنولوژی ZigBee توپولوژیهای شبکه مختلفی دارد که شامل ستاره (Star)، خوشه(Cluster Tree) و مش (Mesh) میباشد. این توپولوژیهای مختلف در شکل۱-۱ نشان داده شدهاند. سه نوع Device در هر شبکه مش ZigBee وجود دارد که عبارتند از:
Coordinator: در هر شبکه تنها یک Coordinator  وجود دارد که وظیفه ذخیرهسازی اطلاعات مربوط به شبکه را بر عهده داشته و همچنین مسیر بهینه انتقال اطلاعات بین دو نود را تعیین میکند.
Router: یک واسط برای انتقال اطلاعات بین نودها میباشد.
End Device: کمترین عملکرد را در شبکه دارد و تنها میتواند با یک Router و یا با Coordinator ارتباط برقرار کند و قادر نیست اطلاعات را بین نودهای همسایه انتقال دهد.
ویژگی اصلی شبکه مش که آن را از سایر توپولوژیها متمایز میسازد این است که در این توپولوژی علاوه بر ارسال و دریافت اطلاعات بیسیم توسط هر نود، Router میتواند به عنوان یک واسط برای انتقال اطلاعات بین نودهای همسایه به کار رود. بدین ترتیب در شبکه مش بی سیم یک پکت داده مسیر خود را به سمت مقصد نهایی پیدا کرده، از نودهای میانی با لینکهای ارتباطی مطمئن عبور می کند. سایر ویژگیهای مطلوب شبکه مش ZigBee شامل موارد زیر است:
اگر یک نود به هر دلیلی (نظیر ورود تداخل RF قوی) دچار مشکل شود، پیام به طور خودکار از طریق مسیرهای دیگر به سمت مقصد هدایت می شود.
فاصله بین نودهای بی سیم می تواند کوتاه شود. اینکار کیفیت لینک بین نودها را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد، بدون اینکه توان ارسالی هر نود افزایش یابد.
به سادگی با اضافه کردن نودهای تکرار کننده در میان شبکه، میتوان برد را گسترش داد، redundancy را افزود و  اطمینان کلی شبکه را بهبود بخشید.
یک شبکه مش قابل گسترش است و می تواند صدها یا هزاران نود را در برداشته باشد. استاندارد ZigBee تا ۶۵۵۳۶ نود شبکه را پشتیبانی می کند.
بر اساس ویژگیهای فراهم شده و همچنین امنیت بالای شبکه در تکنولوژی ZigBee (تکنولوژی ZigBee از الگوریتم AES 128بیتی استفاده می کند)، شبکه مش ZigBee در کاربرد قرائت خودکار کنتورها (AMR: Automatic Meter Reading) بسیار مناسب میباشد.

کنتور دیجیتالA220  Elster و نرم افزار AlphaSET

در پیادهسازی پایلوت AMR از کنتور Elster A220 استفاده شده است که در ادامه مختصری به ویژگیهای آن پرداخته میشود. این کنتور امنیت بسیار بالا، دقت زیاد و ساختار تعرفهبندی جامعی دارد که مناسب برای اندازهگیری مصارف خانگی میباشد. این کنتور امکان گزارشدهی لودپروفایل را تا ۴۲۰ روز در اختیار قرار میدهد.
ارتباط با این کنتور از طریق یک پورت نوری مطابق با استاندارد IEC61107 (یا همان IEC62056-21) میسر میباشد. این پورت نوری از یک طرف بر روی پورت نوری کنتور قرار گرفته و از طرف دیگر به پورت سریال کامپیوتر متصل میگردد و سپس توسط یک نرمافزار تحت ویندوز به نام alphaSET میتوان کنتور را برنامهریزی و پیکربندی کرده و مقادیر اندازهگیری شده را قرائت نمود.
این کنتور دربرگیرنده دامنه وسیعی از دادههای امنیتی (اطلاعات حفاظت شده)، همراه با شاخصهای نشان دهنده و تاریخ وقوع آن میباشد. این موارد شامل:

  • شمارش دفعات معکوس شده
  • مجموع انرژی برگشتی
  • نمایش دهنده کارکرد معکوس
  • ساعات کارکرد دستگاه
  • تعداد دفعات قطع برق
  • ساعات خارج بودن دستگاه از مدار (استفاده غیر مجاز از برق)
  • دفعات برنامه ریزی دستگاه
  • امکان نمایش صورت حسابها (محاسبه نوبتهای صدور قبض)
  • دفعات ریست (Reset) دستگاه (صفرکردن)
  • زمان وتعداد برداشتن پوشش ترمینال
حتما در ادامه این مطلب را هم بخوانید:  کنترل لوازم خانگی با بلوتوث

در روش پیشنهادی برای قرائت هوشمند کنتور از شبکه مش بی سیم zigbee استفاده می شود که نسبت به ساختارهای رایج از جهات مختلف برتری دارد. ویژگیهایی نظیر مصرف توان بسیار پایین، امنیت بالای شبکه، قابلیت اطمینان بالا، انعطاف پذیری، قابلیت گسترش، استفاده از باند فرکانسی آزاد، ارتباط با برد نسبتاً کوتاه، سازماندهی، شکل دهی و التیام خودکار شبکه، هزینه کم، سهولت نصب و … این تکنولوژی را برای مدیریت و کارایی انرژی ایده آل می سازد.
سیستم پیشنهادی از ارتباط بین نودهای AMR در شبکه های مش بهره می گیرد تا داده ها را به مراکز جمع آوری کننده برساند. از آنجایی که کنتورها در مناطق مسکونی از هم دور نیستند، هر نود AMR قادر است داده ها را از طریق ارتباط بی سیم با برد نسبتاً کوتاه با واسطه نودهای همسایه اش به طرف مرکز جمع آوری داده بفرستد.
برخی از مهمترین مزایای روش پیشنهادی عبارتند از:

  • عدم استفاده از نیروی انسانی و دخالت دستی در امر قرائت کنتور
  • امکان قرائت لحظه ای کنتورهای دیجیتالی برق به صورت، روزانه ، هفتگی و ماهانه و یا هر در هر فاصله زمانی که کارفرما بخواهد. سامانه یاد شده قابل تنظیم و برنامه ریزی می باشد. ( این سامانه می تواند درکنتورهای دیجیتالی آب و گاز نیز کاربرد داشته باشد)
  • اطمینان کامل از امنیت و صحت اطلاعات دریافتی ناشی از قرائت و جلوگیری از خطاهای انسانی
  • قرائت چندین کنتور، مثلاً در یک مجتمع مسکونی تنها با یک ماژول Zigbee می توان اطلاعات تمامی کنتورهای مجتمع را دریافت کرد
  • انتقال اطلاعات قرائت کنتورها به صورت اتوماتیک به سامانه مرکزی با دقت و با قبولیت داده ها
  • امکان قطع و وصل برق، خاموش و روشن کردن کنتورها با توجه به بدهی مشترک و یا به هر دلیل دیگر. این عمل بدون حضور مأمور در محل نصب کنتور صورت می گیرد.
  • امکان تنظیم دستگاه Zigbee بدون حضور مأمور در محل نصب کنتور (تنظیم از راه دور)
  • امکان اعمال تغییرات در تنظیمات کنتور ها در یک زمان کوتاه
  • امکان تبادل اطلاعات دو طرفه بین مرکز و کنتورهای برق
  • امکان تغییر مسیر ارسال اطلاعات به هر سرور  یا مرکز جمع آوری داده ها (Data Server)که به سامانه معرفی می گردد
  • جلوگیری از هر گونه دستکاری در پلمپ کنتورهای دیجیتال نصب شده در محل
  • با توجه به قرائت به صورت روزانه، هفتگی و . . . علاوه بر کنترل مصرف، گرفتن آمار مصرف برق و یا صدور زود هنگام صورت حساب برای مشترکان امکان پذیر است
  • صدور صورت حساب به مشترکین از طریق SMS
  • هشدار به مشترکین در ساعات اوج مصرف
  • استفاده از شبکه موبایل موجود در مناطق تحت پوشش و نیز امکان پیاده سازی در مناطقی که تحت پوشش موبایل نیستند.
  • امکان ارسال اطلاعات به صورت پیام کوتاه (SMS) ویا استفاده از بستر GPRS  برای ارسال انواع داده ها (تصویر و صدا)
  • بومی بودن طراحی و ساخت سخت افزار و نرم افزارهای مربوطه
  • عدم مراجعه مأمور به درب خانه مشترکان و جلوگیری از ورود افراد به حریم خصوصی مردم این امر موجب بالا رفتن امنیت در جامعه میگردد.
حتما در ادامه این مطلب را هم بخوانید:  درباز کن RFID با AVR با قابلیت ارسال پیامک

در شبکه AMR پیشنهادی که شماتیک آن در شکل۲-۵ مشاهده میشود، از ترکیب شبکه های مش ZigBee و شبکه GPRS استفاده شده است. برای نمونه این سیستم برای کنتورهای برق تشریح می گردد، درحالیکه این تکنولوژی برای هر کدام از کنتورهای دیجیتال آب، برق و یا گاز قابل اعمال است.

هدف اصلی طراحی

هدف اصلی در این طراحی، ارسال قرائت های پریودیک از کنتورهای برق به یک سرور در اداره برق است. در این طراحی کل منطقه به نواحی جغرافیایی کوچکتر تقسیم می شود. هر کدام از این نواحی دارای یک نود مرکزی برای جمع آوری داده های قرائت شده از کنتورهای آن ناحیه می باشد. کنتورهای موجود در هر ناحیه با یک شبکه مش ZigBee به یکدیگر متصلند و داده های قرائت شده خود را از طریق این شبکه به نود مرکزی در ناحیه خود ارسال می نمایند. در نقاط مرکزی، با استفاده از یک ریزپردازنده و یک مودم GPRS، داده های جمع آوری شده  در بستر GPRS به سرور اداره برق منتقل میگردند.

دانلود فایل گزارش ساخت (توضیحات ، شماتیک ، برنامه نویسی ) ::
دوست عزیز برای مشاهده لینک دانلود باید عضو سایت باشید عضویت یا ورود
این نوشته را با دوستانتان در تلگرام به اشتراک بگذارید :

درباره ی جهاندیده

با سلام درود به شما که مطالب سایت خودتان را مطالعه می کنید امیدوارم مطالب سایت برایتان مفید باشد و باعث پیشرفت روز افزون شما شود. دوران راهنمایی در کار منتاژ کیت های الکترونیکی بودم تا رفتم هنرستان ^_^ دو سال هنرستان الکترونیک خیلی چیزها یاد گرفتم ! دو سال کاردانی الکترونیک و کارشناسی ICT گرایش بهره برداری از سیستم های مخابراتی پر از تجربه بود و مدتی است در الکترونیک دنیای مشغولم . الکترونیک - تکنولوژی - ICT ، برنامه نویسی ...

۴ دیدگاه

  1. با سلام.
    وقت شما بخیر.
    لطف می فرمایید اگر امکانش هست یک شماره تماس برای گرفتن مشاوره برای بنده ایمیل بفرمایید.
    مچکرم

  2. با سلام و ممنون از مطالب خوبتون
    شکل ۱-۱ در پست وجود نداشت!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

3 × سه =