خانه هوشمند: پتانسیل ها و چالش ها

خانه هوشمند سبک زندگی راحت، کاملا کنترل شده و ایمن را برای ساکنان خود فراهم می کند. علاوه بر این، خانه‌ های هوشمند می ‌توانند با امکان سود از فروش انرژی‌ های تجدید پذیر پاک به شبکه، در مصرف انرژی و پول صرفه‌ جویی کنند. از سوی دیگر، کاهش احتمالی بارهای کل انرژی داخلی، بسیاری از دولت ‌ها را تشویق می ‌کند تا از فناوری‌ های امیدوار کننده خانه ‌های هوشمند حمایت کنند.

در ایران نیز در سال های اخیر مبحث BMS یا خانه هوشمند رونق زیادی گرفته است. تا جایی که عده زیادی از جوانان به این رشته گرایش پیدا کرده اند. بر اساس این تقاضا آموزشگاه فنی البرز دوره آموزش هوشمند سازی ساختمان در کرج را به صورت تخصصی توسط اساتید مجرب برگزار می نماید.

تعریف خانه هوشمند

اصطلاح ” خانه هوشمند ” معمولاً برای حدود دو دهه برای توصیف خانه هایی با طرح های انرژی کنترل شده استفاده می شود. این طرح اتوماسیون، شیوه زندگی آسان ‌تری را برای صاحبان خانه نسبت به خانه‌ های عادی غیر خودکار، به‌ ویژه برای افراد مسن یا معلول، تأیید می‌ کند. اخیراً، مفهوم “خانه هوشمند” توصیف گسترده تری دارد که بسیاری از کاربردهای فناوری را در یک مکان شامل می شود.

در تعریفی دیگر گفته می شود: «ادغام فناوری و خدمات از طریق شبکه خانگی برای کیفیت بهتر زندگی»

انرژی پاک توزیع شده و تولید شده توسط خانه های هوشمند مزایای زیادی را برای شبکه های هوشمند آینده نگر فراهم می کند. در نتیجه، اثرات خانه های هوشمند بر روی شبکه های برق آینده باید به طور گسترده مورد مطالعه قرار گیرد. در آینده ای نزدیک، خانه هوشمند نه تنها به عنوان مصرف کننده برق، به عنوان تامین کننده برق در شبکه های مدرن نقش مهمی ایفا خواهد کرد.

زیرساخت های خانه هوشمند

زیرساخت کلی خانه های هوشمند شامل مراکز کنترل، منابع برق، کنتورهای هوشمند و ابزارهای ارتباطی است که در شکل زیر نشان داده شده است. هر یک از اجزای مدل خانه هوشمند در بخش های فرعی زیر مورد بحث قرار خواهند گرفت.

مرکز کنترل

مرکز کنترل واحدهای مناسبی را برای نظارت و کنترل لوازم خانگی مختلف در اختیار کاربران خانگی قرار می دهد. تمام داده های بلادرنگ توسط SHEMS برای بهینه سازی هماهنگی تقاضا/تولید و تأیید اهداف از پیش تعریف شده جمع آوری می شود. وظایف اصلی مرکز کنترل را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

جمع‌آوری داده‌ها از کنتورهای مختلف، دستورات مالکان خانه و ابزار شبکه از طریق یک سیستم ارتباطی مناسب؛

ارائه نظارت و تجزیه و تحلیل مناسب مصرف انرژی خانه برای صاحبان خانه.

هماهنگی بین وسایل و منابع مختلف برای ارضای راه حل بهینه برای اهداف از پیش تعریف شده.

کنتور هوشمند

کنتور هوشمند یک سیگنال پاسخ تقاضا از نیروگاه‌ های برق را به عنوان ورودی به سیستم SHEMS دریافت می‌کند. اخیراً، زیرساخت ‌های پیشرفته اندازه‌ گیری هوشمند می ‌توانند بسیاری از ویژگی ‌های خانه مانند مصرف برق، گاز، آب و گرمایش را کنترل کنند.

لوازم خانگی

بارهای خانه های هوشمند را می توان با توجه به ماهیت عملیاتی آنها به دو دسته بارهای برنامه ریزی شده و غیرقابل برنامه ریزی تقسیم کرد. بارهای غیرقابل برنامه ریزی گهگاه بر اساس میل صاحب خانه بدون هیچ گونه الگوی عملکرد قابل پیش بینی مانند چاپگر، تلویزیون و سشوار کار می کنند، در حالی که بارهای برنامه ریزی شده دارای الگوی عملیاتی قابل پیش بینی هستند که می توانند از طریق SHEMS جابجا یا کنترل شوند، مانند ماشین لباسشویی و تهویه مطبوع.

یکی از رشته های مهم در یادگیری هوشمند سازی خانه ها آشنایی با برق ساختمان است. آموزشگاه فنی البرز دوره آموزش برق ساختمان در کرج را در دو سطح برق 2 و 1 به صورت کاملا عملی برگزار می کند.

منابع برق

نیروگاه های خورشیدی و بادی بالغ ترین منابع انرژی تجدید پذیر در شبکه های مدرن هستند. امروزه بسیاری از ساختمان ها ماژول های فتوولتائیک (PV)، بخاری های خورشیدی حرارتی یا توربین های بادی میکرو را نصب کرده اند. برای خانه‌ های هوشمند، عملکردهای مختلفی را می ‌توان از طریق انرژی خورشیدی علاوه بر تولید برق تامین کرد، مانند آبگرمکن خورشیدی (SWH)، خشک‌ کن خورشیدی و کولر خورشیدی.

علاوه بر این، نیروگاه‌های PV ارزان هستند و نیازهای تعمیر و نگهداری پایینی دارند، در حالی که آب گرم تولید شده توسط SWH ها می ‌تواند در بسیاری از عملکردهای خانه مانند شستشو و پخت و پز استفاده شود، که بازده انرژی خانه را افزایش می ‌دهد.

طرح های ارتباطی

اخیراً سیستم های ارتباطی به عنوان ماژول های داخلی در خانه های هوشمند نصب می شوند. هم کاربران خانگی و هم اپراتورهای شبکه می ‌توانند در آینده نزدیک چندین لوازم خانگی را نظارت و کنترل کنند تا با حفظ یک سبک زندگی راحت، مشخصات بهینه انرژی خانه را برآورده کنند.

بنابراین، هر دو طرح ارتباط سیمی و بی سیم، که به عنوان شبکه منطقه ای خانگی (HAN) شناخته می شود، برای پوشش سیگنال های کنترل از راه دور به عنوان سیگنال های ساکنان خانه استفاده می شود. شکل 1 نمونه ای از HAN را نشان می دهد که از شبکه های Wi-Fi و محاسبات ابری به ترتیب برای تبادل داده های داخلی و خارجی تشکیل شده است.

با توجه به ویژگی های خانه، بسیاری از طرح های ارتباطی سیمی را می توان انتخاب کرد، مانند ارتباطات خط برق (PLC)، مدار یکپارچه (I2C) و رابط سریالی محیطی یا فناوری های بی سیم مانند Zigbee، Wi-Fi، شناسایی فرکانس رادیویی. RFID) و اینترنت اشیا (IoT) برای توسعه HAN ها.

تکنیک های رایج خانه هوشمند

تعدادی از رایج ترین تکنیک ها به طور خلاصه در بخش های فرعی زیر مورد بحث قرار خواهند گرفت.

PLC

PLC تکنیکی است که از خطوط برق برای انتقال همزمان برق و داده از طریق یک کابل به مشتریان استفاده می کند. چنین طرح های سیمی ارتباط سریع با تداخل کم داده را فراهم می کند. علاوه بر این، PLC بسیاری از پایانه های ارتباطی را فراهم می کند، زیرا تمام دوشاخه های برق را می توان برای انتقال داده استفاده کرد. از آنجایی که تمام وسایل برقی خانه با کابل برق به هم متصل می شوند، PLC می تواند از طریق یک کابل با همه این دستگاه ها ارتباط برقرار کند.

Zigbee

Zigbee یک تکنیک ارتباط بی سیم است. Zigbee از استاندارد IEEE 802.15.4 به عنوان یک طرح ارتباطی بی سیم فرکانس رادیویی پیروی می کند. برای مناطق محدود مانند خانه ها نیازی به مجوز ندارد. همچنین، Zigbee یک تکنیک کم مصرف است. بنابراین، برای لوازم خانگی اولیه مانند روشنایی، سیستم های هشدار و تهویه مطبوع مناسب است. Zigbee معمولاً همه دستگاه‌های خانگی را به‌عنوان برده با هماهنگ‌کننده/کنترل‌کننده اصلی در نظر می‌گیرد که به معماری master-slave معروف است.

فناوری Wi-Fi

Wi-Fi یک تکنیک ارتباط بی سیم است که از استاندارد IEEE 802.11 پیروی می کند. Wi-Fi انتقال داده با سرعت بالا را فراهم می کند که با بسیاری از دستگاه های مبتنی بر اطلاعات مانند رایانه ها، لپ تاپ ها و غیره سازگار است.

Wi-Fi یک طرح بسیار امن با بسیاری از قابلیت های اینترنتی آشنا و تاخیر کم انتقال داده (<3 میلی ثانیه) است. برعکس، این یک طرح نسبتاً پر مصرف در مقایسه با طرح ‌های Zigbee است. همچنین، دستگاه‌ های خانگی می‌ توانند سیگنال‌ های داده ارسالی را توسط میدان‌ های الکترومغناطیسی ساطع شده ‌شان تحت تأثیر قرار دهند. Wi-Fi همچنین می تواند از تداخل سایر پروتکل های ارتباطی مانند Zigbee و Bluetooth رنج ببرد.

RFID

RFID یک تکنیک ارتباط بی سیم است که با پروتکل کد محصول الکترونیکی مطابقت دارد. این می تواند با دیگر طرح های ارتباطی مانند Wi-Fi و Zigbee همزمان باشد. می توان از آن برای طیف نسبتاً گسترده ای از فرکانس ها، از 120 کیلوهرتز تا 10 گیگاهرتز استفاده کرد. همچنین محدوده وسیعی از فواصل، از 10 سانتی متر تا 200 متر را پوشش می دهد. بسیاری از محققان در حال بررسی کاربردهای RFID در خانه هستند، مانند سیستم های مدیریت انرژی ، قفل درها و کنترل های روشنایی.

RFID بر روی برچسب ها و سیستم های شناسایی خواننده با نرخ انتقال داده بالا عمل می کند. با این وجود، RFID دارای تراشه های گران قیمت با پهنای باند کم است. احتمال برخورد برچسب در همان منطقه، دقت طرح RFID را کاهش می دهد.

مطالعه بیشتر: سیم کشی راه پله – مراحل نصب

اینترنت اشیا یا IOT

این طرح دستگاه ‌های خانگی، کاربران و اپراتورهای شبکه را از طریق اینترنت برای نظارت و مدیریت خانه‌های هوشمند به هم متصل می‌کند. در نتیجه، اینترنت اشیا و رایانش ابری ثابت کرده ‌اند که خدمات ارزان، محبوب و آسان برای خانه‌ های هوشمند هستند. علاوه بر این، طرح‌ های اینترنت اشیا با بسیاری از پروتکل ‌های ارتباطی دیگر، مانند Zigbee، بلوتوث و غیره، سازگار هستند. هک اینترنت مشکل اصلی طرح‌ های اینترنت اشیا است. امنیت سیستم و حریم خصوصی چالش های حیاتی برای چنین طرح های مبتنی بر اینترنت است.

طرح مدیریت انرژی خانه هوشمند

امروزه سیستم های مدیریت انرژی ساختمان (BEMS) در ساختمان های مسکونی، تجاری، اداری و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این، ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر متغیر با ESSهای مناسب مستقر در ساختمان ها نشان دهنده نیاز ضروری برای BEMS قابل اعتماد و کارآمد است.

برای ساختمان‌ های مسکونی در مقیاس کوچک یا «خانه‌ها»، BEMS باید با رفتارهای بار نامشخص متغیر با توجه به خواسته‌ ها و نیازهای ساکنان خانه برخورد کند که به SHEMS معروف است. در طول دهه‌های اخیر، SHEMS بسیاری در بسیاری از مطالعات تحقیقاتی ارائه و تعریف شده ‌اند.

توابع SHEMS

SHEMS تطبیقی برای صرفه جویی در مصرف برق، به ویژه با تکامل روزافزون بارهای خانگی، مورد نیاز است. SHEMS باید هم لوازم خانگی و هم منابع انرژی موجود را با توجه به تعرفه بلادرنگ و الزامات کاربر خانگی کنترل کند. طرح‌ های مدیریت خانه باید یک پلتفرم رابط بین ساکنین خانه و کنترل‌کننده خانه برای تنظیم مجدد اولویت بار فراهم کنند.

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، اکثر مراکز خانه هوشمند را می توان به عنوان دارای پنج عملکرد اصلی به شرح زیر خلاصه کرد:

نظارت: به ساکنان خانه اطلاعات لحظه ای بصری در مورد توان مصرفی وسایل مختلف و وضعیت چندین پارامتر خانه مانند دما، نور و غیره ارائه می دهد.

Logging: داده ‌های مربوط به مقدار برق مصرفی هر دستگاه را که از حالت‌ های صرفه ‌جویی در انرژی تولید می ‌شود جمع ‌آوری و ذخیره می ‌کند. این عملکرد شامل تجزیه و تحلیل پاسخ تقاضا برای قیمت های زمان واقعی است.

کنترل: هر دو طرح مستقیم و کنترل از راه دور را می توان در خانه های هوشمند اجرا کرد. لوازم خانگی مختلف مستقیماً توسط SHEMS کنترل می‌ شوند تا با خواسته‌ های کاربران خانگی مطابقت داشته باشند، در حالی که سایر عملکردهای مدیریتی از راه دور از طریق تلفن ‌های همراه یا لپ ‌تاپ ‌ها کنترل می ‌شوند، مانند ورود به سیستم و کنترل مصرف برق دستگاه‌ های قطع‌ شونده.

مدیریت: عملکرد اصلی SHEMS. این به هماهنگی بین منابع انرژی نصب ‌شده مانند ماژول‌های PV، توربین‌ های بادی میکرو، ذخیره ‌سازی انرژی و لوازم خانگی برای بهینه‌ سازی بازده کل سیستم و/یا افزایش مزایای اقتصادی مربوط می ‌شود.

هشدارها: SHEMS باید با ایجاد هشدارهای مناسب بر اساس مکان، نوع خطا و غیره به تهدیدات یا خطاهای خاص پاسخ دهد.

مرکز آموزشی فنی البرز در راستای ترویج مهارت های فنی و تربیت نیروی کار، دوره های ارزشمند دیگری در رابطه با رشته برق و شاخه تعمیرات برگزار می کند. برخی از پرمتقاضی ترین این دوره ها، آموزش تعمیرات موبایل در کرج و آموزش تعمیرات لوازم خانگی در کرج می باشند.