اتوماسیون هوشمند

طرحی از اینترنت اشیا برای سیستم اتوماسیون برای محیط‌های اداری و دفاتر شرکت‌ها

طرحی از IoT برای سیستم اتوماسیون جامع و هوشمند محیط‌های اداری و دفاتر شرکت‌ها

۱٫معرفی

در جوامع مدرن امروزی، مردم اغلب ساعات در ادارات و شرکت‌ها می‌گذرانند. تردیدی نیست که محیط کار، تأثیر مستقیمی بر بازده کاری دارد و به همین دلیل فراهم کردن آسایش در محیطی آرام، امری بسیار مهم به شمار می‌رود. از سوی دیگر، با ادامه بحران انرژی در سراسر دنیا و معضل آلودگی زیست‌محیطی که هرروز ابعاد گسترده‌تری به‌ویژه در کشورهای در حال توسعه پیدا می‌کند، صرفه‌جویی در میزان مصرف انرژی در ساختمان‌های اداری توجه بسیاری را به خود جلب کرده است.

یک ساختمان اداری هوشمند، از یک سیستم اتوماسیون، فناوری اطلاعات و اتوماسیون، تجهیزات قابل کنترل و سنسورهای تشخیص‌دهنده تشکیل شده است. چنین سیستمی، می‌بایست نسبت به نیازهای کاربر حساس و پاسخگو بوده و آن‌ها را تحلیل کند تا در زمان مقتضی نسبت به آن‌ها واکنش نشان دهد. از سوی دیگر، اغلب سیستم‌های اتوماسیون تنها بر روی کنترل روشنایی تمرکز دارند.

در این مقاله، سیستم جامع اداری هوشمندی را معرفی می‌کنیم که بر روی کنترل درب‌های ورودی، سیستم روشنایی، تهویه، گرمایش تمرکز دارد با هدف صرفه‌جویی در مصرف انرژی طراحی و پیکربندی شده است تا رضایت کارکنان و آسایش آن‌ها را فراهم سازد.

فرضیه اصلی در هر محیط هوشمند، مبتنی بر آزادی عمل افراد در رفت‌وآمد و حضور و یا ترک محیط کار است؛ همچنین که امکان به‌کارگیری تجهیزاتی به‌خصوص را برای آن‌ها مهیا می‌سازد. با این وجود، آنچه می‌بایست در نظر داشت احتمال تغییر عادات رفتاری کارکنان است. تصور بر این است، که چنانچه سیستمی توانایی پاسخگویی در سخت‌ترین شرایط را دارا باشد در هر موقعیتی امکان همگام‌سازی خود با شرایط را دارا خواهد بود.

در اینجا دو مدل را به‌عنوان شکل معمول سیستم‌های اداری هوشمند در نظر گرفته‌ایم؛ اولین مدل سیستم اداری هوشمندی است که میان ۲ نفر به اشتراک گذشته شده است و دیگری سیستمی را نشان می‌دهد که بین ۴ نفر در حال فعالیت است. پس از بررسی این مدل‌ها سیستم‌های پیچیده‌تر نیز مطرح خواهند شد که در آنها علاوه بر دفاتر کار شخصی، اماکن عمومی نیز مورد توجه  قرارگرفته‌اند.

در این سیستم دو استراتژی برای کنترل سیستم در نظر گرفته شده است؛ یکی سیستم کنش پذیر یا Passive و دیگری سیستم کنشگر یا Active. یک شبکه متشکل از سنسورهای مربوطه، سیگنال‌ها دریافت نموده و نسبت به داده‌های آن‌ها وارد عمل می‌شود؛ این بخش تنها جزئی از سیستم کلی را تشکیل می‌دهد. رفتار و الگوی عملی افراد در پایگاه داده‌ای ذخیره می‌گردد، که خود تصمیمات اتخاذ شده از جانب سیستم را تحت تأثیر قرار می‌دهد. همچنین، همان‌طور که پیشتر اشاره شد، این سیستم توانایی کارکرد در دو حالت دستی و اتوماتیک را داراست. هرچند که حالت دستی، به‌عنوان مکملی بر حالت اتوماتیک در نظر گرفته شده بود اما در اینجا اولویت به آن اختصاص داده شده است.

در ادامه این مقاله، فعالیت‌های اخیر در بخش ۲ معرفی‌شده‌اند، همچنین که سناریوهای مختلفی در بخش ۳ مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در بخش چهارم، ساختار سیستم اتوماسیون هوشمند اداری شرح داده شده و بخش پایانی دربرگیرنده پروژه‌های آینده سیستم و جمع‌بندی مراحل است.

۲. فعالیت‌های مرتبط

پژوهش‌های اخیر در رابطه با تجهیزات قابل کنترل، نشان داده که تمرکز اصلی اغلب بر روی سیستم روشنایی متمرکز است. کیم‌جیهو، سیستم کنترل هوشمندی را جهت کنترل سیستم روشنایی با استفاده از پریزهای هوشمند ارائه کرده است. آفرمانس، سیستم دیگری را معرفی کرد که با بهره‌گیری از سنسورهای بیسیم و شبکه‌های فعال‌کننده، سیستم روشنایی را کنترل میکند. کاسبر یکی دیگر از این نمونه‌ها بوده است، که بر اساس شرایط و سیگنال‌های دریافتی از محیط سیستم کنترل هوشمندی را برای روشنایی، تهویه و گرمایش ارائه کرد. NAA یکی دیگر از نمونه‌ها بوده است، که محیط را با استفاده از نظارت بر عملکرد و عادات کاربران کنترل می‌کند. کیوکاوا هم نمونه دیگری ارائه داد، که با استفاده از یک صندلی هوشمند در جهت آسایش و آرامش فیزیکی و روحی افراد گام برمی‌دارد و با توجه به میزان خستگی آن‌ها، موسیقی مناسب را پخش می‌کند.

سیستم اتوماسیون هوشمندی که در اینجا ارائه شده است، وظیفه تنظیم و کنترل سیستم روشنایی، تهویه مطبوع و گرمایش را عهده‌دار است. مقایسه فاکتورهای تحت نظر، در جدولی که در پی میاید ارائه شده است.

یکی دیگر از جنبه‌های حائز اهمیت در سیستم‌های اتوماسیون، روش‌های برانگیختن سیستم است؛ اینکه چطور و تحت چه شرایطی تجهیزات می‌بایستی آغاز به کار کنند و یا از مدار خارج شوند. اغلب موارد مربوط به تجهیزات قابل کنترلی که پیش از این ارائه شده بود، بر اساس یک سیستم دو دویی ساده روشن و یا خاموش بودن تجهیزات را مشخص می‌کردند که از داده‌های خود را از یک حسگر نوری به دریافت می‌کرد. به‌تبع آن، تنها یک گونه از رفتار افراد را می‌توان با استفاده از نوع داده منطقی/Boolean نشان داد؛ که در آن حضور برابر ۰ و عدم حضور معادل ۱ قرار دارد. در سال‌های اخیر، ظهور پدیده اینترنت اشیاء و سیستم‌های هوشمند کنترل، امکان شخصی و سفارشی سازی خدمات را امکان پذیر ساخته است. در سیستمی که اینجا ارائه شده است، از فناوری برچسب‌های RFID برای کنترل سیستم‌های هوشمند استفاده شده است. جدول شماره ۲، نشانگر عملکرد روش‌های برانگیزش سیستم در مقایسه با یکدیگر است.

هرچند استفاده از سنسورهای نوری و حرکتی، بسیار آسان و مقرون به صرفه است و به سادگی قبل کنترل است، اما امکان ارائه کیفیت مطلوب برای کنترل شرایط پیچیده را نداشته و امکان همگام سازی خود با کاربران متعدد و متنوع را دارا نیست. از طرف دیگر، سیستم‌های مبتنی بر عملکرد تجهیزات، در برابر نیازهای کاربران واکنش بهتر و مناسب‌تری داشته اما از سویی هزینه‌های بیشتری را نیز در پی دارند. در این مقاله، سیستم با استفاده از ادغام این دو سیستم ارائه شده است تا از مزایای هردو سیستم حسگر نوری و برچسب‌های RFID بتوان بهره برد.

۳. تحلیل و بررسی سناریوها

به عنوان یک موضوع مورد پژوهش، مدل دفاتر هوشمند به ۴ زیر مدل تقسیم شده است. در این زیر مدل ها، بر اساس تعداد افراد حاضر در محیط، هر یک از آنها نام‌گذاری شده اند؛ بدین ترتیب که:

محیطی با حضور ۱ نفر: دفتر کار تکی

محیطی با حضور ۲ نفر: دفتر کار دوتایی

محیطی با حضور ۳ نفر: دفتر کار سه تایی

محیطی با حضور ۴ نفر: دفتر کار چهار تایی

هر کدام از این اعداد نشان دهنده تعداد صندلی‌های موجود در آن محیطند. تحلیل سناریوهای موجود، مبتنی بر شرایط مکانی زیر است.

هر ساختمان، دارای تنها ۱ درب و ۱ شید رول است. دفاتر تکی دارای ۱ چراغ و دفاتر دارای بیش از ۲ کاربر، دو چراغ دارند. دفاتر تکی و دوتایی دارای یک سیستم گرمایشی و دفاتر بزرگتر، ۲ واحد گرمایشی/حرارتی دارند. مشخصات مربوط به تمامی این دفاتر در جدول ۳ نمایش داده شده است.

همانطور که در شکل ۱ دیده می‌شود:

به‌طور معمول، هر ۳ یا ۴ نفر در یک دفتر حضور دارند. از آنجایی‌که دفاتر سه و چهار تایی سیستم کنترل یک‌سانی دارند، تنها به شرح سیستم ۴تایی اکتفا می‌کنیم که در شکل شماره ۲ نمایش داده شده است.
J نشانگر شید رول
LS1 نشانگر سنسورهای نور خارجی
H1 نشانگر تجهیزات گرمایشی
LS2-3 نشانگر سنسور نور داخلی اطراف اشخاص ۱ و ۲
TS نشانگر سنسور حرارت اتاق
CO2 نشانگر سنسور داخلی حساس به انتشار گاز CO2
L1-2 نشانگر نور معطوف بر افراد ۱ و ۲

سیستم به‌کار رفته در دفاتر ۴تایی کاملا مشابه دفاتر ۲تایی است. تنها تفاوت، وجود یک سیستم حرارتی بیشتر است.

 

الف- درب ها، شید رول و فضای عمومی

در هر کدام از این مدل‌های دفاتر، تنها ۱ در وجود دارد. با ورود هر شخص به ساختمان، درب مربوطه باز می‌شود. در همان زمان، سنسور نور، میزان نور خارجی را می‌سنجد. چناچه نور دریافتی، بیش از میزان تعیین شده باشد، شید رول‌ها پایین می‌آیند و بالعکس. هنگامی که شخصی در محیط حضور ندارد، این سنسور غیر فعال شده و شید رول‌ها بالا میروند. این سیستم علاوه بر صرفه جویی در مصرف انرژی، خواص دیگری چون مزیت ضد باکتریایی امواج ماوراء بنفش خورشید را هم در نظر گرفته است. با پایین آمدن شید رول ها، سیستم روشنایی فضای داخلی فعال شده تا نور محیط را تامین کند، این فرایند، واکنشی زنجیری و بهم مرتبط در سیستم است.

فضای عمومی در دفاتر، شامل بخش خدمات فنی و کپی، آشپزخانه و دیگر بخش هاست؛ همان‌طور که در اکثر دفاتر معمول است. تمامی کارکنان حاضر در این ساختمان، به این بخش‌ها دسترسی دارند. با ورود هر فرد به داخل ساختمان، بخش فضای عمومی و سیستم کنترل آن باید فعال گردد.

زمانی که تمام افراد، محیط را ترک کنند، درب ورودی ظرف مدت سه دقیقه به طور خودکار قفل می‌شود. علاوه بر اینها، سیستم سوابق رفتاری افراد را بررسی کرده و بر مبنای الگوی ورود آنها، از پیش شرایط مطلب فرد را فراهم می‌کند.

ب- تهویه

یک سنسور تشخیص میزان دی اکسید کربن در  هر اتاق وجود دارد که در زمان افزایش مقدار دی اکسید کربن موجود در محیط، سیستم تهویه را به کار می‌اندازد. در عین حال، سیستم تهویه می‌بایست مادامی که مقادیر مربوط به میزان دی اکسید کربن را دریافت می‌کند، صرف نظر از حضور یا عدم حضور افراد در محیط به تهویه ادامه دهد.

پ- گرمایش

هر دفتر تکی و دوتایی تنها از یک واحد گرمایشی بهره می‌برد. در تمامی دفاتر نیز، یک سنسور حرارتی نصب شده است. تنها هنگامی که شخصی در اتاق حضور دارد، این سنسور در مدار قرار می‌گیرد. این فرایند، بر اساس سيستم حسی پيکری افراد فعال می‌گردد. بازه درجه حرارت هر اتاق بین مقادیر T1  و T2 با واحد سلسیوس تنظیم شده است. هنگامی که دمای اتاق:

  • کمتر از T1 باشد، سیستم روشن میشود
  • بالاتر از T2 باشد، سیستم خاموش میشود
  • بین T1 و T2 باشد، گرمایش بر اساس تصمیمات سیستم عمل می‌کند

 

مقادیر بیشینه و کمینه درجه حرارت، به انتخاب کاربران و افراد اتاق مشخص می‌شود تا حداکثر آسایش را برای آنها فراهم کند.

ت- روشنایی

در یک دفتر تکی، با ورود فرد به ساختمان چراغ‌ها روشن شده و با خروج وی خاموش می‌گردند.

در یک دفتر دوتایی، همانطور که در شکل ۱ آمده، هر فرد چراغ مختص به خود را داراست.  با ورود فرد شماره ۱ چراغ ۱ و چراغ ۲ روشن می‌شوند. چرا که در مسیر ورود، از فضای مربوط به فرد شماره ۲ عبور می‌کند. اما در صورت ورود فرد شماره ۲، چراغ شماره ۱ خاموش م‌یماند. در دفاتر ۴تایی، شخص شماره ۱ و ۳ چراغ سمت چپ و شخص شماره ۲ و ۴ چراغ سمت راست را بطور مشترک استفاده می‌کنند و سیستم کنترل آنها همانند دفاتر دوتایی است.

علاوه بر این، سیستم می‌بایست مبتنی بر سوابق و سلایق شخص، سیستم را بطور پویا کنترل کرده و تغییرات لازمه را بر اساس ۱۰ دستور آخر کاربر تنظیم کند. بطور مثال، هر شخص ممکن است میزان نور مشخصی را بر روی سیستم روشنایی تنظیم کند، سیستم این مقدار را ذخیره کرده و بر مبنای  ۱۰ ورودی آخر هر کاربر، همان میزان نور را بطور خودکار منتشر می‌سازد.

چراغ‌های راهرو، با ورود شخص به ساختمان روشن می‌شود. همچنین، راهروهایی که احتمال عبور شخص از آنها می‌رود نیز، روشن می‌گردند. به عنوان مثال از درب ورودی، تا درب اتاق شخص.

ث- بازپیکربندی

عملکرد پیکربندی مجدد دفاتر ۳ و یا ۴ تایی، بر مبنای حضور، غیبت و یا ملاقات افراد است. به عنوان مثال، هنگامی که فرد شماره ۱ با فرد شماره ۳ ملاقات می‌کند، اما نمیخواهد مزاحمتی برای فرد شماره ۲ ایجاد کند، دیوار حایل فرد شماره ۱ و ۳ را از افراد شماره ۲ و ۴ جدا می‌کند. در همین هنگام، بخش سمت راست تاریک شده و چراغ شماره ۲ روشن می‌شود. این دومین کنش متصل و زنجیره‌ای در سیستم است.

این سیستم، بر اساس ابعاد جلسات عمل می‌کند و با اعلام درخواست از طریق پست الکترونیک می‌توان آنرا رزرو کرد. در صورتی که جلسه، فضای بزرگی را طلب کند، سیستم تمامی دیوار‌های حائل را عقب رانده و مسیر را باز می‌کند. در صورتی که میان زمان جلسات، همپوشانی و تداخل وجود داشته باشد و به عنوان مثال ۳-۵ نفر همزمان فضای جلسات را نیاز داشته باشند، محیط بین آنها تقسیم می‌گردد.

۴. سیستم دفاتر هوشمند

الف- ساختار سیستم

مبنای این سیستم، کاربران آن هستند و از همین رو، حالت تنظیم دستی برای بیشینه آسایش آنها در سیستم قرار گرفته است. در حالت خودکار، سیستم کنترل کلی را در دست دارد و روشن و یا خاموش بودن هر جز را مشخص می‌کند. انتخاب کاربران در سیستم خودکار هم در نظر گرفته شده و از الویت برخوردار است تا امکان کنترل تجهیزات به آنها داده شود.

این سیستم، بر مبنای آسایش هر شخص و انتخاب‌های وی عمل می‌کند. به عنوان مثال، شخصی نور در ۸۰ لوکس، شید رول‌ها پایین میاورد، در حالی که شخصی دیگر در نور ۷۰ لوکس این عمل را انجام می‌دهد. سیستم علاوه بر این داده ها، تراز شید رول را هم در نظر گرفته و در دفعات بعدی، بر اساس آن سوابق عمل می‌کند. این مراحل در شکل ۳ به تصویر کشیده شده است.

چنانچه سیستم، تصمیمی را اتخاذ کند و کاربر آنرا تغییر دهد، سیستم وارد حالت کنش پذیر می‌گردد و تصمیماتی که از آن لحظه به بعد اتخاذ می‌گردند، به عنوان مبنای تصمیمات بعدی ذخیره می‌شوند.
نخست، سنسورها وارد عمل می‌شوند. با دریافت سیگنال، سیستم وارد مدار شده و روش مطلب شرایط را انتخاب می‌کند. سیستم به‌طور معمول، از سیستم خودکار استفاده می‌کند و تصمیمات اتخاذ شده از سوی سیستم ذخیره می‌شوند. سیستم هوشمند، با فراخوانی زیرسامانه‌های دستور لازم را صادر و شرایط را کنترل می‌کند.

ب- استراتژی کنترل کنشگر

در اینجا از سیستم گرمایشی و زیرسامانه آن به عنوان نمونه استفاده می‌کنیم.

از آنجایی‌که مقادیر بیشینه و کمینه در طول فعالیت می‌توانند تغییر کنند، T1 را مساوی ۱۰ و T2 را برابر  ۱۸ درجه سلسیوس در نظر می‌گیریم. مادامی که دما، در این بازه قرار داشته باشد، تشخیص سرد و یا گرم بودن فضا مشکل خواهد بود. در اینجا برای کنترل سیستم، از منطق فازی بهره می‌بریم.

در اینجا، بازه تعیین شده به عنوان فاصله فازی در نظر گرفته می‌شود.

سپس، همان‌طور که در شکل ۴ مشخص است تابع اصلی را به عنوان تابع عضویت در نظر می‌گیرم، که به نقش قانون فازی را در کنترل درجه حرارت اتاق ایفا می‌کند.

  • M(x) نشانگر عضویت، ۱ معادل تعلق مطلق به این مجموعه و ۰ برابر عدم تعلق مطلق به آن است.
  • در نهایت از روش مرکز ثقل برای فازی سازی کامل آن استفاده می‌کنیم.
  • زین پس، سیستم ده انتخاب آخر را بررسی کرده و بر مبنای آن تصمیم بعدی را اتخاذ می‌کند.

جمع‌بندی و پروژه‌های آینده

سیستم اداری هوشمند جامعی که در اینجا ارائه شده است، با توجه حواس کاربران، سیستم حرارتی، تهویه، روشنایی را کنترل کرده و اتاق‌ها و دفاتر را پیکربندی می‌کند. این سیستم، بر اساس پژوهش‌های انجام شده در یک شرکت خصوصی هوشمند طراحی شده و دو روش کنترل اتوماتیک و دستی در آن تعبیه شده است.

از آنجایی‌که سیستم کنترل هوشمند دفاتر، تنها وسیله برای به کار گیری فناوری مدرن نیست و هدف اصلی آن صرفه جویی در میزان مصرف انرژی است، در نتیجه می‌بایست این سیستم در شرایط غیر آزمایشگاهی و در ساختمانی حقیقی در بوته آزمایش قرار گیرد تا از طریق نتایج به دست آماده در آن و مقایسه با شرایط و نتایج ازمایشگاهی، بتوان سیستم نهایی را با طرحی بهینه و بهبود یافته ارائه کرد.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *