کنتور برق هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا (مشاهده مصرف انرژی خانه)

تصور کنید چقدر خوب می شود اگر بتوانید مصرف انرژی خانه یا هر آپارتمان تجاری را در هر نقطه از جهان ببینید. این موضوع مفهوم اندازه گیری هوشمند را معرفی می کند.

کنتور هوشمند چیست؟

کنتور هوشمند دستگاهی الکترونیکی است که از 15 سال پیش در حال پیشرفت است و مصرف برق را ثبت می‌ کند و مانند سایر کنتور های معمولی برق، اطلاعاتی را به تامین‌ کننده برق برای صورت‌ حساب می ‌دهد.

Paraskevakos حق امتیاز ایالات متحده را برای این تکنولوژی خاص در سال 1974 دریافت کرد. او Metretek را راه‌ اندازی کرد و آن را توسعه داد که در سال 1977 اولین سیستم مدیریت بار و خواندن کنتور از راه دور بدون اتصال به اینترنت را تولید کرد.

کدام کشور ها دارای کنتور های هوشمند هستند؟

رول اوت در ایتالیا، فنلاند، سوئد تکمیل شده است. رول اوت ها در کشور های اروپایی برنامه ریزی شده یا در حال اجرا هستند.  در حدود سال 2020، 17 کشور اروپایی کنتور های هوشمند را توزیع خواهند کرد.

کنتور های هوشمند به چه چیزی نیاز دارند؟

1. ارتباطات بی سیم و سیمی با سرعت بالا.
2. ثبت زمان دقیق یا نزدیک به زمان مصرف برق و الکتریسیته تولید شده محلی، به عنوان مثال، در مورد سلول های فتوولتائیک.
3. اندازه گیری دقیق جریان و ولتاژ ترانسفورماتور های جریان، شنت ها یا سنسور های دیگر.
4. ایمنی در برابر دستکاری مغناطیسی و مکانیکی

از آنجا که در طراحی داده‌ شده، سخت ‌افزار مستقیماً از منبع جریان AC تامین می شود؛ بهتر است متخصصانی که آموزش های فنی مناسبی را دریافت کرده اند، سخت افزار را راه اندازی کنند. این طرح از Texas Instruments CC3200MOD و MSP430i2040 به ترتیب به عنوان پلت فرم توسعه ارتباطات و اندازه گیری الکتریکی استفاده می کند. از TI طراحی TIDM-3OUTSMTSTRP به عنوان منبع داده اندازه گیری است و یک برد ارتباطی با استفاده از CC3200MOD طراحی شده که برای ارتباطات Wi-Fi اضافه شده است. سپس می توان داده های اندازه گیری را خواند و رله را با استفاده از یک مرورگر کنترل کرد.

MSP430i2040 — میکروکنترلر سیگنال مختلط 16 بیتی

MSP430i2040 در این طراحی به عنوان پردازنده مترولوژی استفاده می شود.  چهار مبدل 24 بیتی سیگما-دلتا آنالوگ به دیجیتال (ADC) آن امکان اندازه گیری دقیق انرژی را فراهم می کند و ولتاژ، جریان، توان (فعال، راکتیو، ظاهری)، ضریب توان و فرکانس سه خروجی AC را ارائه می دهد.  MSP430i2040 برای اندازه ‌گیری ولتاژ و جریان، تنها به چند قطعه غیرفعال خارجی نیاز دارد تا مستقیماً به تقسیم‌ کننده ولتاژ و شنت جریان متصل شوند.

CC3200 — ماژول میکروکنترلر بی ‌سیم اینترنت روی تراشه CC3200 با پیوند ساده وای فای

CC3200MOD در این طراحی به‌ عنوان کنترل‌ کننده Wi-Fi استفاده می‌ شود که یک میکروکنترلر  ARM® Cortex™-M4 را کامل می ‌کند و به مشتریان اجازه می‌ دهد تا یک کاربرد کامل را با یک دستگاه توسعه دهند. با وجود Wi-Fi روی تراشه، اینترنت و پروتکل‌ های امنیتی قوی، برای توسعه سریعتر نیازی به تجربه قبلی Wi-Fi نیست.

کلید فلای بک ولتاژ بالا UCC28910، UCC28911

تنظیم خروجی ولتاژ ثابت (CV) و جریان ثابت (CC) بدون کوپلر نوری و حفاظت حرارتی خاموش، خط پایین و اضافه ولتاژ دارد.

رله 7 کانال ULN2003LV  و درایور سینک بار القایی

دارای درایور های سینک با جریان بالا 7 کاناله و ولتاژ خروجی تا 8 ولت را پشتیبانی می کند.

طراحی کنتور هوشمند IoT

1. اندازه گیری

این طراحی از MSP430i2040 به عنوان پردازنده مترولوژی استفاده می کند. طراحی   TIDM-3OUTSMTSTRP از TI به عنوان پلت فرم بخش اندازه گیری استفاده می شود. سخت‌افزار و فریمور کمی اصلاح شده ‌اند تا کنترل رله ‌ای را که روی نقطه صفر قرار می ‌گیرد، اضافه کنند.

2. دسترسی به داده های اندازه گیری

این طراحی از سرور وب HTTP در انتقال داده CC3200 از سخت افزار اندازه گیری MSP430i2040 استفاده می کند. این انتقال امکان دسترسی به داده های اندازه گیری را با استفاده از یک مرورگر وب در هر پلتفرمی فراهم می کند. سرور HTTP به سوکت HTTP گوش می دهد (به طور پیش فرض 80) سپس با بازیابی فایل های صفحه وب از فلش، درخواست (HTTP GET یا HTTP POST) را رسیدگی می کند. بعد از آن سرور با یک کنترل کننده رویداد HTTP تماس می گیرد تا روی محتویات متغیر کار کند. سپس یک پاسخ HTTP می ‌نویسد و از طریق پیوند Wi-Fi برای مشتری ارسال می‌ کند.

3. رسیدگی‌ به موارد اطلاعات پویا

برای اینکه داده‌ های اندازه ‌گیری با یک فایل HTML با محتوای پویا خوانده شوند، وب سرور HTTP از مجموعه‌ ای از توکن های از پیش تعریف‌ شده پشتیبانی می‌ کند که در لحظه توسط سرور با محتوای تولید شده به‌ صورت پویا جایگزین می ‌شوند. برخی از توکن ها در سرور HTTP با توکن های اضافی که می توانند در برنامه کاربر تعریف شوند از پیش تعریف شده اند.

سرور HTTP صفحه HTML را برای پیشوند “__SL_G_” اسکن می کند. اگر سرور یک پیشوند پیدا کند، توکن را بررسی می کند.  هنگامی که با یک توکن شناخته شده مطابقت داشت، آن را در HTML با داده (رشته) مناسب که با آن توکن مطابقت دارد جایگزین می کند. اگر توکن در لیست از پیش تعریف شده نباشد، سرور یک رویداد ناهمزمان get_token_value با نام توکن ایجاد می کند. این درخواست در نهایت با کنترل کننده رویداد HTTP در فایل کد main.c تماس می گیرد. سپس کنترل کننده توکن را تفسیر می کند و با send_token_value به مقدار توکن پاسخ می دهد.

وب سرور HTTP از این مقدار توکن استفاده می کند و آن را به مشتری برمی گرداند. برای ارسال داده از مشتری به سرور HTTP، سرور پیشوند “__SL_P_” را بررسی می کند. سپس سرور به لیست پارامتر ها می رود و نام هر متغیر را بررسی می کند تا ببیند آیا با یکی از توکن های از پیش تعریف شده شناخته شده مطابقت دارد یا خیر. اگر نام متغیر ها با توکن های از پیش تعریف شده مطابقت داشته باشد، سرور مقادیر را پردازش می کند. اگر وب سرور HTTP یک درخواست HTTP POST دریافت کند که حاوی توکن هایی است که در لیست از پیش تعریف شده نیستند، سرور یک رویداد ناهمزمان post_token_value برای کاربر ایجاد می کند که حاوی اطلاعات زیر است: نام عمل، نام توکن و مقدار توکن. سپس کاربر می تواند اطلاعات مورد نیاز را پردازش کند.

4. پیاده سازی کنترل کننده رویداد HTTP

برای تسهیل داده های پویا، توکن تعریف شده توسط کاربر برای مجموعه داده هایی که باید بازیابی شوند تعریف می شود.

فایل‌ های نرم‌افزار با استفاده از یک فایل اجرایی خودکار استخراج می‌ شوند که به‌ طور پیش‌ فرض روی TIDCWIFI-METER-READING-SOFTWARE روی دسک ‌تاپ (desktop) کاربر نصب می‌ شود.

1. پس از اتصال سخت افزار، فریمور را در سخت افزار مربوطه دانلود کنید.
2. هنگامی که اتصال انجام شد، به بخش برنامه نویسی خواهید رسید. با تغییر سوئیچ SOP2 DIP روی ماژول Wi-Fi در حالت روشن، ماژول Wi-Fi را روی حالت برنامه ریزی قرار دهید.
3. پس از بارگذاری فریمور و تنظیم آن به روشی که در لینک توضیح داده شده است، آماده آزمایش هستید.

آزمایش

برای آزمایش طراحی، سخت افزار بارگذاری شده با فریمور را تنظیم کنید. سپس ولتاژ AC را به ورودی AC نوار برق اعمال کنید. ال ای دی ها در TIDM-3OUTSMTSTRP روشن خواهند شد؛ LED روی وای فای نیز باید چشمک بزند. برای شروع آزمایش، از تلفن هوشمند، تبلت یا کامپیوتر شخصی با وای فای استفاده کنید.  به دنبال SSID “mysimplelink-XXXXXX” (که در آن “XXXXXX” یک عدد هگزادسیمال شش رقمی است) بگردید و به آن متصل شوید.  یک مرورگر را راه اندازی کنید و URL “mysimplelink.net” را تایپ کنید. صفحه اصلی با نام کنتور در گوشه سمت چپ بالا (که “MSP430i2040 3 SOCKET POWER STRI” است) نشان داده می شود. سپس روی “خواندن” کلیک کنید تا جزئیات را ببینید.

در مورد مزایای اندازه گیری هوشمند شکی وجود ندارد. کنتور های هوشمند برای همه بخش های بازار ضروری هستند:

1. در شرکت های اندازه گیری برای کاهش هزینه های خواندن کنتور.
2. برای اپراتور های شبکه که می خواهند شبکه خود را برای آینده آماده کنند.
3. برای تامین کنندگان انرژی که می خواهند خدمات جدید را به مشتری معرفی کنند و هزینه مرکز تماس را کاهش دهند.
4. برای دستیابی دولت ها به اهداف به صرفه و کارایی انرژی و بهبود فرآیندهای بازار آزاد.
5. برای کاربران در جهت افزایش آگاهی در مورد انرژی و کاهش مصرف و هزینه انرژی.

در دنیایی که در آن تمام ارتباطات دیجیتالی و استاندارد شده است (اینترنت، ایمیل، پیامک، جعبه های گفتگو و…) و هزینه “هوش دیجیتال” به سرعت در حال کاهش است، معرفی کنتور هوشمند‌ یک‌ گام منطقی بنظر می‌ رسد. کنتور های هوشمند برای سلامت انسان ها به گفته بسیاری از مسئولان خطرناک نیست، اگرچه این تحقیق ادامه دارد  زیرا مردم در سراسر جهان گزارش می دهند که تجهیزات بی سیم بر سلامت آن ها تأثیر می گذارد.

کنتور های هوشمند بسیار دقیق هستند و بخاطر کنترل بیشتر روی قبض‌ های برق می خواهیم که‌ آن‌ ها را داشته باشیم.