سيستم قرائت كنتور با استفاده از ZigBee

معرفي روش قرائت خودكار كنتور ( سيستم قرائت كنتور 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 مديريت توزيع توان از دیگر مشکلات روش موجود است. به منظور رفع این مشکلات تلاشهایی برای قرائت هوشمند کنتور (AMR) در جهان در حال انجام است. سيستم قرائت كنتور با استفاده از ZigBee یکی از این روش ها است که در ادامه باهم برسی میکنیم.

روش قرائت هوشمند كنتورها عبارت از فن‌‌آوري خودکار جمع‌آوري اطلاعات از كنتورهايي چون كنتور ديجيتالي آب، برق و یا گاز، انتقال آن داده‌ها به مركز براي تجزيه و تحليل آن داده‌ها و صدور صورت‌حساب براي مشتركان می باشد.
تكنولوژي اندازه گيري هوشمند قادر است مصرف انرژي و ديگر پارامترهاي اندازه گيري را ذخيره كرده و در فواصل زماني دلخواه گزارش دهد. اين قرائت زمان واقعي به مصرف كنندگان اين امكان را مي دهد كه از ميزان مصرف انرژي و هزينه پرداختي به طور لحظه اي مطلع شوند و مصرف انرژي خود را متناسب با آن بخصوص در ساعات اوج مصرف كاهش دهند.

از طرفي در مراكز انرژي علاوه بر كاهش هزينه هاي ناشي از حذف نياز به قرائت دستي كنتورها، اطلاعات زمان واقعي از چگونگي مصرف انرژي و در نتيجه امكان مديريت توزيع توان فراهم ميشود.در ادامه با میکرو دیزاینر الکترونیک همراه باشید تا بیشتر در مورد سيستم قرائت كنتور 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.

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.

توپولوژي هاي تكنولوژي ZigBee

تكنولوژي ZigBee توپولوژيهاي شبكه مختلفي دارد كه شامل ستاره (Star)، خوشه(Cluster Tree) و مش (Mesh) ميباشد. اين توپولوژيهاي مختلف در شكل1-1 نشان داده شدهاند. سه نوع Device در هر شبكه مش ZigBee وجود دارد كه عبارتند از:
Coordinator: در هر شبكه تنها يك Coordinator  وجود دارد كه وظيفه ذخيرهسازي اطلاعات مربوط به شبكه را بر عهده داشته و همچنين مسير بهينه انتقال اطلاعات بين دو نود را تعيين ميكند.
Router: يك واسط براي انتقال اطلاعات بين نودها ميباشد.
End Device: كمترين عملكرد را در شبكه دارد و تنها ميتواند با يك Router و يا با Coordinator ارتباط برقرار كند و قادر نيست اطلاعات را بين نودهاي همسايه انتقال دهد.
ويژگي اصلي شبكه مش كه آن را از ساير توپولوژيها متمايز ميسازد اين است كه در اين توپولوژي علاوه بر ارسال و دريافت اطلاعات بيسيم توسط هر نود، Router ميتواند به عنوان يك واسط براي انتقال اطلاعات بين نودهاي همسايه به كار رود. بدين ترتيب در شبكه مش بي سيم يك پكت داده مسير خود را به سمت مقصد نهايي پيدا كرده، از نودهاي مياني با لينكهاي ارتباطي مطمئن عبور مي كند. ساير ويژگيهاي مطلوب شبكه مش ZigBee شامل موارد زير است:
اگر يك نود به هر دليلي (نظير ورود تداخل RF قوي) دچار مشكل شود، پيام به طور خودکار از طريق مسيرهاي ديگر به سمت مقصد هدايت مي شود.
فاصله بين نودهاي بي سيم مي تواند كوتاه شود. اينكار كيفيت لينك بين نودها را به ميزان قابل توجهي افزايش مي دهد، بدون اينكه توان ارسالي هر نود افزايش يابد.
به سادگي با اضافه كردن نودهاي تكرار كننده در ميان شبكه، ميتوان برد را گسترش داد، redundancy را افزود و  اطمينان كلي شبكه را بهبود بخشيد.
يك شبكه مش قابل گسترش است و مي تواند صدها يا هزاران نود را در برداشته باشد. استاندارد ZigBee تا 65536 نود شبكه را پشتيباني مي كند.
بر اساس ويژگيهاي فراهم شده و همچنين امنيت بالاي شبكه در تكنولوژي ZigBee (تكنولوژي ZigBee از الگوريتم AES 128بيتي استفاده مي كند)، شبكه مش ZigBee در كاربرد قرائت خودكار كنتورها (AMR: Automatic Meter Reading) بسيار مناسب ميباشد.

كنتور ديجيتالA220  Elster و نرم افزار AlphaSET

در پيادهسازي پايلوت AMR از كنتور Elster A220 استفاده شده است كه در ادامه مختصري به ويژگيهاي آن پرداخته ميشود. اين كنتور امنيت بسيار بالا، دقت زياد و ساختار تعرفهبندي جامعي دارد كه مناسب براي اندازهگيري مصارف خانگي ميباشد. اين كنتور امكان گزارشدهي لودپروفايل را تا 420 روز در اختيار قرار ميدهد.
ارتباط با اين كنتور از طريق يك پورت نوري مطابق با استاندارد IEC61107 (يا همان IEC62056-21) ميسر ميباشد. اين پورت نوري از يك طرف بر روي پورت نوري كنتور قرار گرفته و از طرف ديگر به پورت سريال كامپيوتر متصل ميگردد و سپس توسط يك نرمافزار تحت ويندوز به نام alphaSET ميتوان كنتور را برنامهريزي و پيكربندي كرده و مقادير اندازهگيري شده را قرائت نمود.
اين كنتور دربرگيرنده دامنه وسيعي از دادههاي امنيتي (اطلاعات حفاظت شده)، همراه با شاخصهاي نشان دهنده و تاريخ وقوع آن ميباشد. اين موارد شامل:

• شمارش دفعات معكوس شده
• مجموع انرژي برگشتي
• نمايش دهنده كاركرد معكوس
• ساعات كاركرد دستگاه
• تعداد دفعات قطع برق
• ساعات خارج بودن دستگاه از مدار (استفاده غير مجاز از برق)
• دفعات برنامه ريزي دستگاه
• امكان نمايش صورت حسابها (محاسبه نوبتهاي صدور قبض)
• دفعات ريست (Reset) دستگاه (صفركردن)
• زمان وتعداد برداشتن پوشش ترمينال

در روش پیشنهادی برای قرائت هوشمند کنتور از شبکه مش بی سیم zigbee استفاده مي شود كه نسبت به ساختارهاي رايج از جهات مختلف برتري دارد. ويژگيهايي نظير مصرف توان بسيار پايين، امنیت بالای شبکه، قابلیت اطمینان بالا، انعطاف پذیری، قابلیت گسترش، استفاده از باند فركانسي آزاد، ارتباط با برد نسبتاً كوتاه، سازماندهی، شکل دهی و التیام خودکار شبکه، هزينه كم، سهولت نصب و … این تکنولوژی را براي مديريت و كارايي انرژي ايده آل مي 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 نيروي انساني و دخالت دستي در امر قرائت کنتور
• امکان قرائت لحظه اي کنتورهاي ديجيتالي برق به صورت، روزانه ، هفتگي و ماهانه و يا هر در هر فاصله زماني که کارفرما بخواهد. سامانه ياد شده قابل تنظيم و برنامه ريزي مي باشد. ( اين سامانه مي تواند درکنتورهاي ديجيتالي آب و گاز نيز کاربرد داشته باشد)
• اطمينان کامل از امنيت و صحت اطلاعات دريافتي ناشي از قرائت و جلوگيري از خطاهاي انساني
• قرائت چندين كنتور، مثلاً در يك مجتمع مسكوني تنها با يك ماژول Zigbee مي توان اطلاعات تمامي كنتورهاي مجتمع را دريافت كرد
• انتقال اطلاعات قرائت کنتورها به صورت اتوماتيک به سامانه مرکزي با دقت و با قبوليت داده ها
• امکان قطع و وصل برق، خاموش و روشن کردن کنتورها با توجه به بدهي مشترک و يا به هر دليل ديگر. اين عمل بدون حضور مأمور در محل نصب کنتور صورت مي گيرد.
• امکان تنظيم دستگاه Zigbee بدون حضور مأمور در محل نصب کنتور (تنظيم از راه دور)
• امکان اعمال تغييرات در تنظيمات کنتور ها در يک زمان کوتاه
• امکان تبادل اطلاعات دو طرفه بين مرکز و کنتورهای برق
• امکان تغيير مسير ارسال اطلاعات به هر سرور  يا مرکز جمع آوري داده ها (Data Server)که به سامانه معرفي مي گردد
• جلوگيري از هر گونه دستکاري در پلمپ کنتورهاي ديجيتال نصب شده در محل
• با توجه به قرائت به صورت روزانه، هفتگي و . . . علاوه بر کنترل مصرف، گرفتن آمار مصرف برق و يا صدور زود هنگام صورت حساب برای مشترکان امکان پذير است
• صدور صورت حساب به مشتركين از طريق SMS
• هشدار به مشتركين در ساعات اوج مصرف
• استفاده از شبكه موبايل موجود در مناطق تحت پوشش و نيز امكان پياده سازي در مناطقي كه تحت پوشش موبايل نيستند.
• امکان ارسال اطلاعات به صورت پيام کوتاه (SMS) ويا استفاده از بستر GPRS  براي ارسال انواع داده ها (تصوير و صدا)
• بومي بودن طراحي و ساخت سخت افزار و نرم افزارهاي مربوطه
• عدم مراجعه مأمور به درب خانه مشترکان و جلوگيري از ورود افراد به حريم خصوصي مردم اين امر موجب بالا رفتن امنيت در جامعه ميگردد.

در شبكه AMR پيشنهادي كه شماتيك آن در شكل2-5 مشاهده ميشود، از تركيب شبكه هاي مش ZigBee و شبكه 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 طراحي

هدف اصلی در اين طراحي، 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 مركزي، با استفاده از یک ریزپردازنده و یک مودم GPRS، داده های جمع آوری شده  در بستر GPRS به سرور اداره برق منتقل ميگردند.

دانلود فایل گزارش ساخت (توضیحات ، شماتیک ، برنامه نویسی ) ::

دانلود فایل

پسوند فایل بصورت PDF

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.