درسنامه آموزشی نصب و راه اندازی تجهیزات هوشمند ساختمان کلاس دوازدهم مکاترونیک

اتوماسیون (مدیریت هوشمند) ساختمان یکی از مباحث مطرح در کشورهای پیشرفته است. چرا که با توجه به بالا رفتن هزینه‌های انرژی و رویکرد جوامع از بهره‌گیری انرژی‌های نو، چگونگی مصرف انرژی اهمیت بیشتری یافته است.
اتوماسیون ساختمان را می‌توان در یک جمله به هوشمندسازی مدیریت منابع ساختمان، تعریف نمود. این هوشمندسازی در راستای کنترل دقیق و همچنین حذف خطای انسانی است.

تمام تجهیزاتی که تا به حال معرفی شده‌اند، اگر به تنهایی هوشمندسازی شوند، نمی‌تواند مفهوم ساختمان هوشمند را برآورده کند. اما مدیریت و کنترل یکپارچه تمام تجهیزات هوشمند است که می‌تواند آرامش و اطمینان خاطر را به انسان هدیه دهد.

واحد یادگیری 7: شایستگی نصب و راه‌اندازی سیستم‌های هوشمند ساختمان

اهداف از این شایستگی عبارت‌اند از:

1- نصب و راه‌اندازی سنسورها و ماژول‌ها؛
2- توانایی سناریو و برنامه‌دادن؛
3- توانایی کار و اجرای هوشمندسازی توسط نرم‌افزار.

استاندارد عملکرد

پس از اتمام واحد یادگیری و کسب شایستگی، هنرجویان می‌توانند انواع لوازم الکتریکی و مکانیکی را به‌منظور هوشمندکردن کنترل کنند.

معرفی سیستم مدیریت هوشمند ساختمان

برای ساخت خانه‌های هوشمند اولیه، هزینه‌ٔ گزافی صرف شد؛ چراکه اغلب از مؤلفه‌های ساخت دست استفاده می‌شد. امروزه، سیستم‌های اتوماسیون خانگی ساده با کمترین هزینه قابل خریداری هستند. اما هزینهٔ این سیستم‌ها با افزودن قابلیت‌های مختلف به آن‌ها افزایش می‌یابد. پیش‌بینی می‌شود که در طول چندسال آینده، بازار سیستم‌های هوشمند خانگی به نرخ رشد سالانه 60٪ دست یابد. همچنین پیش‌بینی می‌شود تعداد وسایل خانگی مرتبط با سیستم هوشمند ساختمان در سال 2022 به بیش از چهل میلیون رشد کند. اولین سیستم هوشمند تجربی در سال 1966 به بازار عرضه شد. استفاده معمولی از اتوماسیون خانگی شامل کنترل روشنایی، گرمایش و سرمایش، امنیت، بهینه‌سازی مصرف انرژی و مشابه آن است. در سال 2016 مشاهده‌ٔ سیستم اتوماسیون خانگی در ساختمان‌های تجاری، دانشگاه‌ها و هتل‌ها به امری عادی تبدیل شده و استفاده از این سیستم‌ها محدود به قشر مُرفه جامعه نیست.

در این پودمان می‌کوشیم هنرجو را با این سیستم آشنا کنیم تا بتواند از آن در خانه هوشمند بهره‌برداری کند.

همان‌طور که قبلاً هم اشاره شد (BMS) یا Building Management System، که در زبان فارسی به مدیریت هوشمند ساختمان ترجمه شده است انواع مختلفی دارند. ابتدایی‌ترین هوشمندسازی ساختمان‌ها توسط دستگاه‌هایی بود که ورودی و خروجیِ محدودی داشتند و توسط بلوتوث یا پیامک کنترل می‌شدند. با پیشرفت فناوری‌ها این تجهیزات توسط اینترنت و نرم‌افزارهایی که بر روی تلفن همراه نصب می‌شدند نیز  قابل کنترل بودند. اما همان‌طور که گفته شد، این هوشمندسازی محدود بود و سنسورهای محدودی قابل اعمال نمودن، بودند. به عبارت دیگر خانه را می‌توانستند هوشمند کنند نه ساختمان با چندین خانه یا واحد را! تا جایی که به این نوع هوشمندسازی اتوماسیون نیز اطلاق می‌شد.

با پیشرفت فناوری، BMS جایگزین دستگاه‌های قدیمی شد و مدیریت یکپارچه ساختمان جایگزین اتوماسیون کردن خانه گردید.

مدیریت هوشمند ساختمان انواع مختلفی دارد که عبارت‌اند از:

1- باسیم:

از مزایای باسیم آسان بودن نوع ارتباط آن است و از معایب این سیستم حجم زیاد سیم‌کشی و محدود بودن خروجی‌های تخریب و... است.

2- بی‌سیم:

از مزایای سیستم بی‌سیم، نبودِ سیم‌کشی بسیار زیاد و تهیه و نصب آن با کمترین تخریب و پایین‌ترین هزینه است. همچنین از تعداد بسیار زیادی خروجی و برنامه‌دهی بالا برای انواع سناریو می‌توان طراحی کرد. از معایب این سیستم ارتباط شبکه‌ای آن است که در نبود اینترنت نمی‌توان آن را از راه دور کنترل کرد.

معرفی پُروتُکُل‌ها در BMS

شاید مهم‌ترین مفهوم در شناخت هوشمندسازی ساختمان، فهم درست پُروتکل باشد!

پروتکل به مجموعه قوانینی اطلاق می‌شود که نحوۀ ارتباط بین تجهیزات خانة هوشمند را قانونمند و هدفمند می‌کند. شاید بتوان نقش پروتکل در شبکه‌های هوشمند را همانند نقش دستور زبان در گفتن و نوشتن دانست. مشخصاً برای مطالعه یک کتاب لازم است خواننده شناخت مناسبی از دستور زبانی که کتاب به آن زبان نوشته شده، داشته باشد. به عبارتی دیگر پروتکل یعنی زبان ارتباطی یا زبان نرم‌افزاری مشترک بین تجهیزات در خانه هوشمند.

به منظور ارتباط دو قطعه (Device) در خانه‌ٔ هوشمند ضرورت دارد هر دو قطعه یا تجهیز از پروتکل مشابهی بهره ببرند. برای هوشمندسازی ساختمان پروتکل‌های فراوانی وجود دارد که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شوید.

در این کتاب به تشریح پروتکل Z-wave که یکی از مهم‌ترین استانداردهای جهانی است و در ایران نیز شدیداً مورد استقبال قرار گرفته، می‌پردازیم.

تصویر زیر نوع عملکرد سیستم مدیریت هوشمند را با استانداردهای موجود نشان می‌دهد.

روند راه‌اندازی این سیستم نیاز به کابل‌کشی‌های فراوان را از بین می‌برد. ماژول‌های کوچک در هر جعبهٔ سوئیچ دیواری، پشت کلید روشنایی و مشابه آن‌ها نصب می‌شود و با هر سیستم الکتریکی سازگار است. این تنها سیستم موجود در بازار است که قادر به کنترل چراغ‌های LED و یا روشنایی‌های فلورسنت در سیستم‌های برقی (حتی سیستم‌های الکتریکی قدیمی مورد استفاده) می‌باشد.

تصویر زیر شماتیک کنترل یک محیط خانه هوشمند و طرز کار آن را نمایش می‌دهد.

اجزای سیستم مدیریت خانه هوشمند

خانه‌های هوشمند همچون بیشتر سیستم‌هایی که تا به حال فرا گرفته‌اید و فارغ از پروتکل ارتباطی آن، از سه بخش اصلی ورودی، خروجی و پردازشگر تشکیل شده‌اند. ورودی‌ها شامل انواع قطعات، حسگرها و تجهیزاتی هستند که باید فرمانی را از انسان یا به‌صورت اتوماتیک دریافت کنند و به سیستم تحویل دهند. پردازشگر همان پنل مرکزی است. که خود آن می‌تواند از چندین بخش تشکیل شود. خروجی نیز لامپ‌ها، موتورها و خروجی‌های مورد نیاز هوشمندسازی (ساختمان یا صنعتی) را در بر می‌گیرد.

دستگاه مرکزی بی‌سیم با دریافت و پردازش فرمان‌های دریافتی از تلفن همراه، ورودی و خروجی‌ها را کنترل می‌کند. ورودی تغذیه‌ٔ دستگاه 220 ولتی، توسط آداپتور به 24 ولت تبدیل می‌شود همچنین شما می‌توانید مصرف انرژی فعلی و تاریخچه‌ٔ مصرف انرژی را در حالی که قادر به یافتن وسیله‌های پرمصرف می‌باشید مشاهده کنید. آمار دقیق به‌صورت نمودار ارائه می‌شود تا شما بتوانید با بررسی و مقایسه‌ٔ اعداد، قبض‌های پیش‌رو را تخمین بزنید. تصاویر زیر نمونه‌هایی از دستگاه کنترلر خانه‌ٔ هوشمند با پروتکل Z-wave را نشان می‌دهند.

پس از شناخت پردازشگر خانه‌ٔ هوشمند مبتنی بر پروتکل Z-wave، به سراغ ورودی‌ها و خروجی‌های آن می‌رویم.

سیم‌بندی سخت‌افزاری خانه‌ٔ هوشمند پروتکل Z-wave

در اتصال ماژول‌های هوشمند به برق، کافی است مطابق شکل، N را به نول وصل کنید و L را به فاز و از طریق L یک پل به پایه I متصل کنید، سپس از O خروجی 220 ولت گرفته و به دستگاه مورد نظر اتصال دهید و خروجی‌های S1 و S2 این امکان را به ما می‌دهند که به‌صورت دستی دستگاه موردنظر را خاموش و روشن کنیم. 

جهت ارتباط ماژول‌ها و سنسورها و دیگر اجزای هوشمند ساختمان نیاز به برنامه‌ای یکپارچه است تا بتوان این عملکرد یکپارچه را توسط سناریو انجام داد. در اصل با کمک سناریو می‌توان هر برنامه‌ای را که مدنظر کاربر است، به سیستم اعمال نمود و طی آن سناریو، ورودی‌ها و خروجی‌ها، کاربر را به هدف مورد نیاز برسانند.

یکی از راه‌های کنترل مصرف آب و جلوگیری از اسراف آن، استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی است. اما مشکلی که اینجا به‌وجود می‌آید این است که صاحبان چاه‌های آب و زمین‌های کشاورزی معمولاً به دور از امکاناتی هستند که بتوانند مصرف آب را کنترل نمایند. چنانچه مشکلی پیش آید و آب هدر برود ایشان از این مشکل باخبر نخواهند شد. یکی دیگر از مشکلاتی که معمولاً صاحبان زمین‌های کشاورزی با آن مواجه‌اند جیره‌بندی‌شدن آب و اختصاص آب به زمین‌های موردنظر آن هم در زمان‌هایی از روز است که ممکن است صاحبان زمین‌های کشاورزی در زمان مورد نظر نتوانند بر سر زمین حاضر شوند و آبیاری را انجام دهند. یکی از ساده‌ترین و ارزان‌ترین راه‌ها برای حل این مشکلات استفاده از سیستم‌هایی است که به وسیله تلفن همراه کنترل می‌شوند. شما می‌توانید با تهیه و نصب این سیستم‌ها و قرار دادن آن‌ها در محل مورد نظر نه تنها در هر زمان که می‌خواهید با هر فاصله‌ای که دارید فرمان روشن و خاموش کردن سیستم را ارسال کنید بلکه می‌توانید از این سیستم‌ها هم‌زمان به‌صورت سیستم‌های امنیتی (مانند هشدار قطع برق، هشدار آتش‌سوزی و یا دزدگیر) نیز استفاده کنید.

یکی از مشکلات ویلادارانی که ویلای آن‌ها در مناطق سردسیری واقع‌ شده است، دمای هوای خانه در هنگام ورود به خانه است. با توجه به فضای ویلاها معمولاً بین یک تا دو روز زمان می‌برد تا خانه‌ٔ ویلای شما هوا بگیرد و برای استفاده مناسب شود. از این رو عده‌ای در فصل سرما از سفر به ویلاها سر باز می‌زنند، در حالی که می‌توان با گذاشتن دستگاه‌های هوشمند و سنسورهای مورد نیاز در ویلا از چند روز قبل به کمک این دستگاه سیستم‌های گرمایشی را روشن کرد و در هنگام رسیدن به خانه یا ویلای خود از گرم‌بودن و راحتی آن لذت برد.

ویلاهایی که در مناطق فوق‌العاده سردسیر واقع شده‌اند و معمولاً دمای زیر صفر درجه را تجربه می‌کنند، در فصل سرما چنانچه آب داخل لوله‌ها توسط صاحب ویلا خالی نشده باشد خسارات فراوانی خواهند دید. معمولاً این دسته از افراد در هر بار بازگشت از ویلا باید آب لوله‌ها را خالی کنند، و یا با روشن گذاشتن سیستم گرمایی مانع از ترکیدن لوله‌ها شوند که این امر با هزینه بالای سوخت همراه خواهد بود. پس می‌توان با تهیه یک سیستم هوشمند موقعی که در خانه یا ویلای خود نباشیم به هنگام چنین اتفاقی از به وجود آمدن خطر ترکیدگی لوله‌ٔ آب و خرابی‌های ناشی از آن جلوگیری کرد.

تمرین خلاقیت:

1- با استفاده از Z-wave، مداری هوشمند طراحی کنید که با لمس کردن حسگر انگشت به‌وسیله آردینو قفل درب باز شود و هنگام بازشدن درب ورودی کارگاه، تمامی چراغ‌های محوطه روشن شود و با میزان لوکس نور محیط کلاس، چراغ‌ها به‌صورت اتوماتیک کنترل شوند.

2- با استفاده از Z-wave، سناریویی طراحی کنید که 2 عدد سنسور حرکت در فاصله‌ای دور نسبت به هم، در کارگاه وصل شوند و هریک سریع‌تر حرکتی را تشخیص داد، لامپی روشن شود و از طریق یک دوربین تصویر بر روی موبایل نمایش داده شود، هنگامی که در هیچ سنسوری حرکتی نبود لامپ‌ها به‌صورت اتوماتیک خاموش شوند و با موبایل خود گزارش این عملکرد را در پنل مرکزی ببینید.

3- با استفاده از سیستم Z-wave، سناریوئی طراحی کنید که با فشار دادن شاسی شماره 1، موتور شماره 1 روشن شود. سپس با فشار دادن شاسی شماره 2، کولر (فن) روشن شود. و با فشاردادن شاسی آخر، همۀ دستگاه‌ها خاموش شوند و سپس باتکرار مجدد همین برنامه تکرار شود.

پروژه نیمه‌تجویزی

جارو مرکزی

همان‌طور که از متن بالا مشخص گردید جاروی مرکزی یک سیستم مکش مرکزی به‌منظور نظافت ساختمان و ارسال زباله‌ها از طریق لوله‌های داخل دیوار به محلی دور از محل زندگی شما می‌باشد. بدین‌منظور پریزهای مکنده در مکان‌های مورد نیاز نظافت ساختمان نصب‌شده و توسط لوله‌های توکار به دستگاه مکنده مرکزی که در محل مناسب مانند موتورخانه، زیرزمین، انباری، پارکینگ و... نصب شده متصل می‌گردد. لذا هنگام نیاز با اتصال لوله خرطومی به پریزهای مذکور سیستم مکنده توسط مدار فرمان به‌طور خودکار روشن شده و امکان نظافت محل موردنظر فراهم می‌آید.

در ساختمان‌هایی که به‌صورت تک‌واحدی (مستقل). امکان نصب دستگاه مکنده روی تراس، داخل کمددیواری، کابینت، سرویس بهداشتی و... نیز وجود دارد.

بنابراین جارو برقی مرکزی به دو صورت تجمیعی یا مستقل قابل اجرا و نصب می‌باشد.

نوع تجمیعی شامل انواع دوموتوره، سه موتوره و چهارموتوره می‌باشد. و نوع مستقل شامل انواع تک موتوره کیسه‌ای و تک‌موتوره سطلی می‌باشد.

نوع مکنده مرکزی و تعداد آن از نظر قدرت نسبت به تعداد و متراژ واحدها استانداردسازی می‌شود. دستگاه مکنده مرکزی به دو صورت، روی دیوار یا به‌صورت پایه‌دار روی زمین قابل نصب می‌باشد. از نظر مخزن زباله نیز در دو مدل مخزنی و پاکتی (کیسه‌دار) تولید می‌شود.

لوله‌های جاروی مرکزی که از کف واحد و به‌صورت توکار اجرا می‌شود، مخصوص جاروی مرکزی می‌باشد که جنس آن PVC با پوشش مخصوص آنتی الکترواستاتیک با ویژگی خودتمیزشوندگی و بسیار مقاوم در برابر فشار و ضربه می‌باشد.

لوله‌های خرطومی که در داخل واحد قرار دارند با قابلیت ارتجاعی (استرج) به همراه انواع سَری‌های نظافتی می‌باشد. تصویر زیر تصویری کلی از یک جارومرکزی را نشان می‌دهد:

تصویر زیر نمای کلی از ساختار جارو مرکزی را نشان می‌دهد: