التصاميم المقترحة للمقابس الكهربائية الذكية

أهمية الوصول الى تصاميم مناسبة للمقابس الكهربائية الذكية

يظهر التصميم الأمثل للمقبس الذكي المقترح لمراقبة الطاقة عن بُعد في الوقت الفعلي والتحكم في الحمل المتصل في الشكل التالي (1)، وكما هو موضح في الشكل يمكن الوصول إلى المقبس عن بُعد من خلال وسيط لاسلكي، بحيث تحدد الأداة وتعالج جهد خط الطاقة أحادي الطور والتيار للجهاز المتصل، بحيث يرسل المقبس البيانات الملتقطة إلى العقدة الرئيسية عند توصيله بعقدة رئيسية أو وحدة تحكم.

كما يستخدم المقبس اتصالاً لاسلكياً وذاكرة لتخزين البيانات الأولية، بحيث تُستخدم أيضاً دارات تكييف الإشارة الخاصة لأخذ عينات من جهد الخط وبيانات التيار والترحيل، وعلاوة على ذلك يمكن للمقبس تشغيل أو إيقاف تشغيل الجهاز المتصل من وحدة التحكم الرئيسية.

هندسة الأجهزة الخاصة بالمقبس الكهربائي

المكونات الرئيسية للمقبس هي وحدات الاستشعار وتكييف الإشارة في متحكم (Arduino Nano V3.0) ووحدة اتصالات (XBee) ومصدر طاقة بتبديل (IRM-10-12)، بحيث يستخدم مستشعر الجهد شبكة مقسم جهد ومستشعر تيار تأثير هول (ACS712)، وهو متصل بدائرة تكييف إشارة، بحيث تم تصميم الجهاز بحيث يمكن للمقبس حساب جهد (RMS) والتيار والطاقة ومعامل القدرة الكهربائية.

كما تم تصميم المقبس أيضاً لتشغيل وإيقاف تشغيل جهاز كهربائي متصل باستخدام مرحل (12) فولت و (10) أمبير، لذلك يوضح الشكل التالي (2) تنظيم النظام، حيث يتم توصيل الأجهزة (N -العدد)، وذلك بمآخذ (N) الذكية، والتي يتم توصيلها لاسلكياً بمنسق (XBee)، والذي يعمل كوحدة اتصال في جانب واجهة المستخدم.

أجهزة المتحكم: تتم معالجة الإشارات مبدئياً بواسطة وحدة التحكم الدقيقة وتخزينها في ذاكرتها، وبعد ذلك يتم تمرير البيانات المعالجة إلى وحدة (XBee) لإرسالها، لذلك فإن الميكرو كونترولر هو أهم جزء في المقبس الذكي، بحيث تم اختيار (Arduino Nano V3.0) كمتحكم دقيق مناسب نظراً لصغر حجمه وذاكرة كافية ومنصة تطوير البرمجة المناسبة.

كما يحتوي متحكم (Arduino Nano) على (13) منفذ إدخال وإخراج رقمي (I / O)، والتي يمكن تهيئتها كمدخلات إلى وحدة التحكم الدقيقة أو مخرجات من وحدة التحكم الدقيقة لإرسال أو استقبال الأوامر عند مستويات جهد معينة، بحيث يحتوي المتحكم الدقيق أيضًا على ثمانية دبابيس تناظرية مع التناظرية المدمجة المدمجة في قنوات المحول الرقمي عبر وحدة التحكم (ATmega328).

كما تبلغ دقة كل قناة (10) بتات، مما يشير إلى إمكانية إرجاع أعداد صحيحة تتراوح من (0) إلى (1023)، وعلى الرغم من أن هذه الدبابيس التناظرية تستخدم عادةً كمدخلات من أجهزة الاستشعار التناظرية، إلا أنها يمكن أن تعمل أيضاً كدبابيس إدخال وإخراج، كما يمكن أن يعمل (Arduino Nano) بمستويات جهد مختلفة، أي (5) فولت للإمداد و (3.3) فولت لمنظمات الجهد المتوفرة.

لذلك يمكن استخدام هذه المصادر أيضاً لتزويد الوحدات الأخرى في المقبس الذكي بالطاقة، وبعد ذلك يمكن أن يؤدي استخدام مصدر إمداد واحد إلى توحيد مراجع الجهد لجميع الوحدات المدمجة في المقبس الذكي، بحيث يتراوح الجهد الموصى به في (Arduino Nano) من (6) فولت إلى (12) فولت، وعلى الرغم من أن الطاقة المحددة تعتمد على المستشعرات المرفقة أو درع (Arduino Nano)، يوضح الشكل التالي (3) التخطيط الكامل لمتحكم (Arduino Nano).

دائرة تكييف الإشارة: يعتبر جهد خط الطاقة أعلى من الحد الأقصى لجهد الإدخال الذي يتطلبه المتحكم الدقيق (ADC)، لذلك يجب تخفيف إشارة الجهد إلى ما يقرب من ثلثي الحد الأقصى لمدخل (ADC) لضمان التخلص من القطع على الإشارة، وبالإضافة إلى ذلك لا يمكن أن تختلف قنوات (ADC) الموجودة على وحدة التحكم الدقيقة إلا من (0) إلى (1023)، وبالتالي يلزم وجود إزاحة (DC) لتحويل إشارة الجهد لأعلى وضمان التوافق مع الدبوس التناظري (A2) على لوحة وحدة التحكم الدقيقة.

وفي هذه الدائرة؛ فإنه يتم استخدام مقاومين من نفس القيمة (R و R ‘) لإجبار إشارة الجهد على التأرجح عند نقطة مرجعية، وهي نصف الجهد المطبق (VCC = 5 V)، لذلك يتحول مركز إشارة الجهد الكهربائي إلى (2.5) فولت بدلاً من القيمة الأصلية (0 V)، كما يوضح الشكل التالي (4) دوائر تعويض التيار المستمر المطلوبة لدائرة تكييف جهد خط الطاقة الكهربائية.

كما يمكن قياس تيار الخط عن طريق اتصال تسلسلي لمقاوم بين الخطوط، بحيث يضمن هذا الاتصال أن انخفاض الجهد عبر المقاوم المدخل متناسب مع التيار الكهربائي، ومع ذلك؛ فإن هذه التقنية مرهقة ويصعب تنفيذها لأن المعايرة المتكررة ومقاومة عالية القوة الكهربائية مطلوبة، وبالتالي يتم استخدام مستشعر التيار (ACS712 Hall) للتغلب على هذه المشكلة.

ومن بين البدائل العديدة، تم اختيار وحدة استشعار التيار (ACS712) لقياس الإشارة الحالية لأن المستشعر متوافق مع متحكم نانو ويمكن توفيره بواسطة مصدر (5) فولت مدمج في المتحكم الدقيق، وعلاوة على ذلك؛ فإن خرج المستشعر مناسب لقناة (ADC) في شريحة وحدة التحكم الدقيقة الرئيسية.

وحدة الاتصال اللاسلكي: هناك حاجة إلى وحدة اتصال لنقل الجهد المحسوب والتيار والقدرة ومعامل القدرة إلى واجهة المستخدم، بحيث تتوفر العديد من بروتوكولات الاتصال، مثل (Zigbee و Bluetooth و Wi-Fi)، كما يتم اختيار بروتوكول (Zigbee) نظراً لمزاياه المتنوعة، مثل عدم التكلفة والتطبيقات واسعة النطاق والخيارات المتنوعة لتكوين الشبكة ومتطلبات الطاقة المنخفضة، لذلك يقدم الجدول التالي النقاط الرئيسية التي تبرر اختيار بروتوكول (Zigbee).

يمكن استخدام بروتوكول (Zigbee مع وحدة الاتصالات (XBee-igi International)، والتي تنتج أكثر من (30) مجموعة من هذه الوحدات، كما يمكن تصنيف (XBee) إلى سلسلتين رئيسيتين، بحيث تعتبر السلسلة (1) ممتازة للاتصالات من نقطة إلى نقطة، بينما تقدم السلسلة (2)، هي هياكل شبكات متنوعة، مثل المنظمات النجمية والشجرية والشبكات.

لذلك لا يوجد اتصال بين السلاسل المختلفة، وعلى العكس من ذلك، يمكن أن يحدث الاتصال فقط في وحدات من نفس السلسلة، كما تُستخدم وحدات السلسلة (2) في هذا التصميم لأنها يمكن أن توفر تنظيم الشبكة المطلوب، بحيث تقدم السلسلة (2) أيضاً أنواعاً مختلفة من الوحدات التي تختلف من حيث نطاق التغطية وقدرة الإرسال ونوع الهوائي، كما يتم اختيار (XBee-Pro S2C) بشكل خاص للتطبيق نظراً لنطاق تغطيته الداخلية البالغ (100) متر (خط الرؤية) مع قدرة إرسال تبلغ (63) ميغاوات فقط.

تبديل التيار الكهربائي وترحيل الطاقة: يعتبر الجهد الموصى به لـ (Arduino Nano) هو (6-12) فولت، وذلك اعتماداً على المستشعرات المرفقة أو درع (Arduino)، ومن ثم يتم استخدام مصدر طاقة وضع التبديل (IRM-10-12) من البئر المتوسط لتزويد لوحة (Arduino)، بحيث يوفر مصدر الطاقة (IRM-10-12 12) فولت مع (0.85) أمبير وهو كافٍ لهذا التطبيق.

كذلك يتم استخدام مرحل (10) أمبير بجهد ملف (12) فولت للتحكم في الجهاز المتصل، أيضاً يمكن لهذا الترحيل تنشيط جهات الاتصال الخاصة به على أساس أمر الإدخال الذي تم إنشاؤه بواسطة (Arduino Nano)، وبالتالي يعمل كمفتاح. يظهر اتصال المرحل في الشكل التالي (6).

النموذج النهائي: بعد النمذجة الأولية باستخدام اللوح، بحيث يتم تصنيع لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لاستبدال معظم التوصيلات السلكية باستخدام آثار نحاسية لضغط الحجم وفصل التوصيلات ذات الجهد العالي والمنخفض، كما تم تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الوجهين لتحقيق اتصال الجهد العالي في الجزء السفلي ووصلة الجهد المنخفض في الجزء العلوي من الإعداد.

لذلك يتم لحام المكونات أيضاً في (PCB)، وذلك لإكمال مجموعة الأجهزة الموضوعة داخل صندوق معزول، حيث يتم استخدام جانب المقبس المُفرغ لتوصيل الجهاز ويتكون الجانب الآخر من ثلاثة دبابيس ذكر لقابس طاقة الجدار، وذلك يوضح الشكل التالي (7) نظام الأجهزة.