خانه هوشمند Zigbee ارتباط بی سیم کنترل از راه دور ایمنی و آسایش (۱۰)

۲۸- نحوه نظارت بر ساختان ها و محیط زیست با اجرای سیستم حسگرهای بی سیم

با توجه به اینکه شاهد مصرف انرژی برق تا حدود ۷۰ درصد در بخش ساختمان ها در اتحادیه اروپا هستیم و مصرفی در حدود ۴۰ درصد انرژی برق در ایالات متحده امریکا ، که این کشور به تنهایی مسئول تولید حدود ۴۵ درصد از حجم گازهای گلخانه ای تولید شده در جهان می باشد. این آمار و ارقام زنگ خطری را به صدا در می آورد که در فرایند جریان تولید و مصرف انرژی باید نهایت دقت و مدیریت شایسته هم از سوی تولید کنندگان و مصرف کنندگان اعمال شود تا هیچ جامعه ای دچار بحران انرژی در عصر حاضر نگردد.

که این امر در بخش ساختمان و مصرف کنندگان می تواند با پیروی و استفاده از الگوی معماری نوین همراه با پیاده سازی و اجرای سیستم مدیریت هوشمند سازی ساختمان (BMS) با استفاده از پروتکل های ارتباطی مختلف صورت گیرد که یکی از این پروتکلها می تواند پروتکل ارتباطی ZigBee مبتنی بر حسگرهای بیسیم باشد که در صورت اجرای این سیستم می تواند نقش بزرگی در کاهش و کنترل آلودگی محیط زیست ، گازهای گلخانه ای و همچنین مصرف بهینه و کنترل شده سوختهای تجدید ناپذیر ، فسیلی و بخش انرژی شود.

۲۹- نحوه کنترل و دسترسی به امکانات خانه هوشمند

و از طریق پنل مرکزی با صفحه کنترل

و به صورت کنترل از راه دور ، پیامک ، اینترنت و تلفن گویا

سناریو ( بوسیله انجام دستورات با فشار دادن یک کلید) و به صورت خودکار و مدیریت هوشمند و اولویت بندی شده با برنامه ریزی از پیش تعیین شده و کنترل بوسیله سیگنالهای الکتریکی و مغناطیسی و امواج رادیویی RF [۸و.

۳۰- استراتژی و روش های سیستم مدیریت هوشمند سازی ساختمان در بهینه سازی مصرف انرژی

۱) بکار گیری حالت مینیم ظرفیت مجاز در استفاده از تجهیزات هوشمند سازی (مانند پروتکل ZigBee ) ۲) راه اندازی و خاموش و روشن کردن تجهیزات بر اساس مدیریت هوشمند و جداول زمانی اولویت بندی شده جهت کارکرد دستگاهها ۳) Look Out یا استفاده از تجهیزات در هنگام نیاز و ضرورت ۴) محدود کردن تقاضای برق با حالت Demand Limiting که باعث قطع برق در هنگام مصرف بیش از حد و مجاز می شود ۵) نمایش مانیتورینگ قسمتها و نقاط مختلف به کاربر جهت رفع مشکلات احتمالی تجهیزات و بررسی عملکرد صحیح آنها که این امر موجب کاهش هزینه ها و انرژی می شود.

خانه هوشمند Zigbee ارتباط بی سیم کنترل از راه دور ایمنی و آسایش (۹)

– نحوه نظارت بر عملکرد سیستم آب و فاضلاب توسط شبکه های حسگر بی سیم یا هوشمند

تجهیزات و زیر ساختهای که در زمینه آب رسانی و تاسیسات آن و همچنین فرصت های بیشماری که در این بخش وجود دارد استفاده از سیستم هوشمند سازی یا اتوماسیون و حسگرهای بی سیم میتواند در مصرف و کاهش هدر رفت و مصرف بی رویه آب موثر باشد. که این امر موجب صرفه جویی در مصرف انرژی در این بخش شده و به دنبال آن افزایش سطح ذخایر آب موجود در سفره های زیر زمینی و پشت سدها را به همراه خواهد داشت.

۲۶- نحوه نظارت بر عملکرد دامداری ها بوسیله اجرای شبکه های حسگر بی سیم با هوشمند

پیشرفت روز افزون و فراگیر در زمینه شبکه های هوشمند بی سیم پا را از این هم فراتر گذاشته و به بخشهای مانند دامداری های صنعتی نیز نفوذ کرده و سبب ایجاد تاثیراتی در این بخشها نیز شده است به عنوان مثال با اجرای شبکه های هوشمند بی سیم ، به وسیله حسگرهای فشار عمل کنترل صورت می گیرد و به صورت خودکار می تواند آب مورد نیاز برای دام ها را تامین کند. و در ضمن توانایی و قابلیت محاسبه مقدار و حجم آب را نیز دارد و قابلیت تنظیمات و برنامه ریزی برای اعلام و هشدار زمان واکسیناسیون و تزریق بر طبق جداول ثبت شده توسط اپراتور دامداری را دارد.

۲۷- کاربرد سیستم هوشمند شبکه های حسگر بی سیم ZigBee در شرایط نا مطلوب محیط پیرامون

استفاده از سیستم حسگرهای بی سیم ZigBee فقط منوط و محدود به شبکه های داخل ساختمان و شبکه های رایانهای محلی و غیره نیست بلکه بیشتر برای مکانهای در نظر گرفته شده است که حضور فیزیکی انسان در آنجا با مشکلات عدیده و خطرناکی همراه باشد، مانند محیط های آلوده به مواد شیمیایی ، اورانیوم ضعیف شده یا میکروبی که بیشتر زباله های باقیمانده از جنگ بر اثر اصابت موشکها و تسلیحات نظامی و یا راکتورهای هسته ای می باشند و یا حضور در جنگل و زیستگاه موجودات که حضور انسان باعث وحشت و فرار آنها می شود. و یا جهت مطالعه و تحقیقات در بستر و اعماق اقیانوسها ، فضاء و غيره ، بسته به شرایط محیطی باید در انتخاب حسگر و تجهیزات مورد نیاز آن محیط و شرایط اقدام نمود به طور مثال در دریا و محیط های که با رطوبت همراه هستند گره های حسگر در داخل محفظه ای که رطوبت را منتقل نکنند قرار می گیرند.

کنترل با نظارت بر محیط پیرامون و شرایط حاکم بر آن را می توان به عنوان یکی از کابردهای حسگرهای بی سیم باد کرد و نحوه کار بدین صورت می باشد که در نظارت محیط ، گیرنده بی سیم در منطقه و محلی گسترده پخش و منتشر می شود که تعداد وقوع وقایع و رخدادها باید در آن ثبت و ذخیره شده و تحت نظارت باشندو.

به عنوان مثال تعدادی از گره های موجود در شبکه های حسگر بی سیم که به صورت فرستنده و گیرنده هستند باعث روئیت و آشکار شدن تجاوز دشمن می گردد و دیگر نیازی به استفاده از میناهای جنگی نیست، یعنی حسگرهای به کار رفته در سطح محیط های نظامی یا بر پایه نور ، صدا ، فشار ، حرارت ، ارتعاشات و میدان های مغناطیسی و غیره می باشند در صورت دریافت و سیگنال از سوی حسگرهای نصب شده این اتفاقات به یکی از پایگاه ها گزارش یا ارسال می شوند. که این مجموعه گزارش ها معمولا از طریق سیم کارت های تعبیه شده در داخل این سیستم ها به صورت ارسال پیغام و پیامک از طریق اینترنت یا ماهواره ها می شود.

خانه هوشمند Zigbee ارتباط بی سیم کنترل از راه دور ایمنی و آسایش (۸)

چالشها و نگرانی های ناشی از اجرای تجهیزات و سطوح سخت افزاری در سیستم هوشمند سازی ، حساسیت می تواند یکی از موارد نگران کننده در بخش تجهیزات سیستم هوشمند سازی ساختمان و حسگرهای بی سیم باشد. بویژه در بخش سیستم های حفاظتی ، ایمنی و تردد مانند نحوه تنظیم صحیح میزان حساسیت سیستم ها با توجه به انتخاب حسگرهای مناسب از لحاظ نحوه عملکرد ، عمر مفید و کاهش هزینه ها.

۲٫تداخل و تصادم سیگنالهای مختلف در یک محدوده فرکانسی خاص، به کارگیری جند وسیله از تجهیزات هوشمند سازی به صورت همزمان از نوع بی سیم می تواند سبب تداخل سیگنالهای ارسالی از سوی دو وسیله فرستنده شود، و از سوی دیگر به کار بردن چند وسیله در یک محدوده فرکانسی خاص می تواند نتایجی همچون اشغال پهنای باند را موجب شود و استفاده از پروتکل های مختلف در این رابطه باعث افزایش حجم گسترده ای از اطلاعات در یک بخش خاص می شود.

۳. پهنای باند استفاده هم زمان از چند وسیله از سیستم هوشمند به صورت بی سیم باعث کاهش پهنای باند و کاهش اطلاعات در دسترس شبکه هوشمند سازی خواهد شد. و شیوه های مختلف جهت بهینه سازی و کاهش مصرف انرژی نیز می توانند در کاهش پهنای باند موثر باشند. برای حل این چالش استفاده از الگوریتم های فشرده سازی بهینه برای ارسال اطلاعات در شبکه های هوشمند سازی استفاده خواهد شد.

۴٫چالش ها و نگرانی های ناشی از لایه فیزیکی: کاهش قدرت ارسال و انتقال اطلاعات و کوچک بودن اندازه

آنتن های موجود بر روی تجهیزات هوشمند سازی و آنتن های قرار گرفته بر روی ماژول های فرستنده و گیرنده این سیستم ها موجب کم شدن نسبت مقدار سیگنال های الکتریکی و امواج رادیویی RF نسبت به نویز (SNR) و موجب افزایش نرخ بیت خطا و اشتباه و کم شدن وسعت منطقه تحت پوشش به صورت مفید و ایمن می شود. کاهش خطاهای فیزیکی و خطای ناشی از اپراتورها می تواند در افزایش میزان قابلیت اطمینان تأثیر مهمی داشته باشد [۱۴ و ۲۶ و ۲۵ و ۳۰] که یکی دیگر از موارد چالش های پیش رو در صنعت هوشمند سازی ساختمان ، تامین انرژی در محیط های داخلی و خارجی ساختمان ، که برای بخش های داخلی ساختمان استفاده از باتریهای قابل شارژ می تواند گزینه خوب و مناسبی قلمداد شود، اما این امر در برخی مواقع می تواند بار مالی سنگینی را برای مجریان خانه هوشمند و ساکنان آن رقم بزند. که برای مقابله با این نقطه ضعف راه کارهای مانند تولید سیستم های با توان مصرفی پایین (CMOS) و ساخت باتریهای با طول عمر بالا و استفاده از سلولهای خورشیدی مطرح شده است۔

 

خانه هوشمند Zigbee ارتباط بی سیم کنترل از راه دور ایمنی و آسایش (۷)

منظور از شبکه های حسگر بی سیم چیست؟

پیشرفتهای عصر حاضر و تلفیق علوم مختلفی مانند الکترونیک ، مخابرات ، فناوری اطلاعات و ارتباطات سبب پیدایش نسل جدیدی از سیستم های مخابراتی تحت عنوان مخابرات بی سیم و حسگرهای بی سیم شده است. که موجب ساخت و طراحی حسگرهای بی سیم با حداقل توان ، کوچک شدن اندازه و حجم تجهیزات و کاهش قیمت های آن نقش اصلی را ایفاء کرده است، این حسگرها قابلیت دریافت انواع دیتا یا اطلاعات را بر حسب شرایط محیطی خاص و همچنین نوع حسگر به کار رفته در شبکه را دارا می باشند. پردازش ، دریافت و انتقال اطلاعات سبب ایجاد شبکه های به نام حسگرهای بی سیم هوشمند شد. این شبکه ها (Wireless sensor network / WSN) از تعداد بیشماری نود (node)، ایستگاه کاری و یا گره ایجاد می شوند. این گره ها به طور فراگیر در محیط پیرامون خود گسترش پیدا کرده و به جمع آوری دیتا از محیط اطراف خود می پردازند، محل قرار گیری گره را نمی توان در یک شبکه حسگر بی سیم از قبل تعیین کرد و نیازی هم به این کار نیست و این موضوع به یک مزیت برای این گروه از شبکه های رایانه ای و شبکه های هوشمند ساختمان و غیره تبدیل شده است، از این جهت که می توان آنها را در محلهای سخت و خطرناک به کار گرفت، و به عبارت دیگر استانداردها ، پروتکلها و الگوریتم های مورد استفاده در شبکه های بی سیم از قابلیت مدیریت ، سازماندهی و انسجام درون شبکه بر اساس یک سیستم هوش مصنوعی بر خوردار می باشند.

چرا امروزه از شبکه های هوشمند بی سیم استفاده می کنیم؟

در دنیای امروز حتی برای یک لحظه هم که شده نمی توان تصویری از نبود شبکه های مخابراتی بی سیم و هوشمند را در ذهن تصور و تداعی کرد. پیشرفتهای امروزی در عرصه های علمی از جمله گرایش های مختلف الکترونیک و فناوری اطلاعات و ارتباطات سبب کوچکتر شدن حجم پردازنده ، میکرو پروسسور و میکروکنترلرهای مرکزی به کار رفته در این تجهیزات شده است. این ریز حسگرها با برخورداری از حسگرهای بسیار کوچک ، حساس و ریز پردازنده های پیشرفته در درون خود دارای قابلیت درک ، شناسایی و تشخیص حواسی مانند رطوبت ، صدا ، لرزش ناشی از زلزله و غیره می باشند. که جهت جمع آوری اطلاعات و همچنین گردآوری گزارشهای آماری در محلهای که از لحاظ رفت و آمد و امور تحقیقاتی و اکتشافات مانند کویرها ، بستر اقیانوسها و غیره که برای انسان مناسب نیستند می توانند بازدهی و عملکرد مناسبی را از خود نشان دهند.

خانه هوشمند Zigbee ارتباط بی سیم کنترل از راه دور ایمنی و آسایش (۶)

نحوه بازگست سرمایه در صورت اجرای سیستم مدیریت هوشمند ساختمان بوسیله پروتکل ارتباطیZigBee

هزینه های ناشی از اجرای هوشمند سازی بوسیله پروتکل ارتباطی ZigBee به تعداد واحدهای موجود در یک ساختمان ، مساحت و زیر بناء و محیط اطراف آن جهت اجرای پروژه های مانند نور و روشنایی ، تعداد طبقات و همچنین نوع تجهیزات و تعداد گره و سیستم گیرنده مورد استفاده در هوشمند سازی ساختمان ، تعداد و ابعاد پلنت ها و تجهیزات مربوط به تاسیسات الکتریکی و مکانیکی به کار رفته در آن بستگی دارد. که هدف اصلی از اجرای پروژه هوشمند سازی ساختمان مصرف کنترل شده و بهینه انرژی و همچنین استفاده مناسب و بهینه از تجهیزات الکتریکی ، مکانیکی و الکترومکانیکی موجود در ساختمان جهت فزایش طول عمر این تجهیزات میباشد. که با اجرای دقیق و درست این پروژه علاوه بر مصرف بهینه و ذخیره انرژی سرمایه اولیه جهت نصب و راه اندازی اتوماسیون خانگی با سیستم مدیریت هوشمند ساختمان (BMS) باز می گردد.

پروژه های هوشمندی که با شکست مواجه شدند

مزایای سیستم مدیریت هوشمند سازی ساختمان تنها هنگامی حاصل می شود که سیستم مورد نظر به صورت دقیق و درست نصب ، نگهداری و حفاظت شود. در غیر این صورت مواردی مانند نادیده گرفتن واقعیت با افکار درونی ، پنهان کردن مسائل و مشکلات محوله و عدم بروز آنها ، انجام ندادن و یا عدم انجام صحیح وظایف و مسئولیت های محوله و عدم انجام مولفه های اصلی و فعالیتهای بحرانی پروژه و تامین منابع مالی در زمانهای خود.

نتیجه گیری

با توجه به پیشرفت فناوری و نفوذ سیستم های هوشمند در تجهیزاتی مانند گوشی های تلفن همراه ، تبلت ، رایانه ها و شبکه های رایانه ای و به ویژه شبکه های حسگر بی سیم و حرکت گسترده در سرتاسر جهان به سمت هوشمند سازی و مدیریت هوشمندانه و استفاده صحیح از تجهیزات و انرژی می باشد و با توجه به اینکه استفاده از پروتکل ZigBee به عنوان یکی از پروتکل های ارتباطی از نوع بی سیم و بر پایه استاندارد ۸۰۲٫۱۵٫۴ IEEE جهت کنترل خودکار و هوشمند تجهیزات از طریق راه دور طراحی شده است که سبب ارتباط تعداد زیادی در حدود ۶۴۰۰۰گره یا وسیله از نوع تجهیزات سیستم هوشمند با یکدیگر در درون یک شبکه هوشمند ساختمان می شود. و این تجهیزات را می تواند به صورت همزمان به یکدیگر متصل کنند. ضمن اینکه پروتکل ZigBee دارای توان مصرفی پایین یا Low Power می باشد و به علت اینکه تجهیزات آن معمولا در حالت خواب یا غیر فعال به سر می برند مصرف انرژی کمی دارند و به همین جهت دارای باتری های با طول عمر بالا می باشند و از نکات مثبت آن جهت بکار گیری در سیستم هوشمند ساختمان هزینه پایین جهت نصب و راه اندازی آن و عدم نیاز به سیم کشی مجدد و تغییرات در ساختمان ها می باشد که می توان از آن در ساختمانهای قدیمی نیز استفاده کرد و از چشم اندازها و اهداف گسترده نفوذ آن می توان به مصارف صنعتی ، بهداشتی و درمانی ، تجاری و خانگی آن نیز اشاره کرد و مسئله بی سیم بودن و استفاده از پروتکل لایه باز و توانایی نصب تجهیزات هوشمند سازی با مارکها و برندهای مختلف در یک شبکه هوشمند ساختمان را می توان از مزایای دیگر آن ذکر کرد.

خانه هوشمند Zigbee ارتباط بی سیم کنترل از راه دور ایمنی و آسایش (۵)

توپولوژی شبکه های ZigBee

نظیر به نظیر و ستاره ای (Star) حمایت و پشتیبانی می کند از انواع توپولوژی پیشرفته و پیچیده نظیر به نظیر می توان به نوع توپولوژی و شبکه بندی تور مانند مش (Mesh) اشاره کرد که دارای قابلیت های مانند شبکه های منعطف ، با زمان تاخیر کم و پایین ، ارتباط چندگانه قدرتمند و از عیوب این نوع توپولوژی نیز می توان به کشف و شناسائی مسیرهای پرهزینه ، عدم ایجاد شکل گیری قالب های بزرگ و ابر قالب ها و نیاز به حافظه جهت جدول مسیر دهی اشاره نمود. از دیگر انواع توپولوژی های شبکه ZigBee میتوان به توپولوژی های ترکیبی نیز اشاره کرد که ساختار این نوع توپولوژی گره های حسگر موجود در شبکه ZigBee به صورت اتوماتیک یا خودکار به فرم و شکل خوشه های ساماندهی می شوند و در هر خوشه یک گره به عنوان گره مسئول یا سرخوشه انتخاب می شود. این شیوه شبکه بندی بر پایه پردازش توزيع استوار است و گره سرخوشه یا مسئول تنها مرکز پردازشی توزیع کننده در شبکه هوشمند می باشد، گره های مسئول ، مسئولیت مدیریت و کنترل عملیات و فرایند پردازش اطلاعات گره های دیگر خوشه و سپس ارسال به هماهنگ کننده یا (ZC) را دارند.

سیم بندی یا توپولوژی شبکه های حسگر بی سیم از نوع توپولوژی گراف بوده و به این جهت که ارتباط گره های موجود در این شبکه گراف به صورت بی سیم و پخش فراگیر یا برودکست Broadcast Packet می باشد و هر گره با گره های اطراف آن در ارتباط است و در نتیجه گره های دیگر نیز موجب ارتباط همگانی در این شبکه بی سیم می شوند. در این رابطه الگوریتم های کار را ، در گرد آوری داده و کاربردهای شناسائی اشیاء را درخت پوشا فرض می کنند. چون روند شکل گیری ترافیک به گونه ای است که اطلاعات ممکن است همزمان از چند گره به سمت یک یا چند گره دیگر از یک مسیر در گراف شبکه ارسال شوند الگوریتم های مدیریت توپولوژی در لحظه شروع به کار باید توانائی به خدمت گرفتن اعضاء یا گره های جدید و یا توانائی حذف گره هایی که به دلایل مختلف از شبکه خارج شدن را فراهم کنند، و یا به اصطلاح شبکه به صورت لایه باز عمل کرده و توانائی عملکرد در حالتهای پویا ، استاتیک و دینامیک را داشته باشد.

۱۱- ویژگی های منحصر به فرد پروتکل ارتباطی ZigBee در سیستم هوشمند ساختمان

پی ریزی برنامه های شبکه هوشمند ZigBee بر اساس استاندارد ۸۰۲٫۱۵٫۴ IEEE و پیروی از این استاندارد حسگرهای بیسیم. ویژگی های مانند توان مصرفی پایین که برای دو حالت با مد TX/RX) ، Mode و حالت خواب با (Sleep) غیر فعال مورد نیاز است. این پروتکل می تواند در کمتر از ۳۰ هزارم ثانیه از حالت خواب (Sleep) یا غیر فعال (فانوس دریایی به حالت بیداری با فعال (فانوس دریایی ) باز گردد که این قابلیت سرعت پاسخگوئی بالا و زمان تاخیر بسیار ناچیز را می توان یکی از برتری های ZigBee در مقایسه با پروتکل بلوتوث Bluetooth بشمار آورد که این فرایند باعث مصرف بهینه انرژی توسط پروتکل ZigBee می شود.