Γυμνάσιο Πολυκάστρου: «A.Li.S. – Μονάδα ελέγχου και διαχείρισης ηλεκτρικής ενέργειας σε σύστημα φωτισμού σχολικής αίθουσας»

Γυμνάσιο Πολυκάστρου: «A.Li.S. – Μονάδα ελέγχου και διαχείρισης ηλεκτρικής ενέργειας σε σύστημα φωτισμού σχολικής αίθουσας»

 A.Li.S.    (Automatic Lighting System)

Ομάδα A.Li.S.

Μαθητές:

  • Ζωσιμίδης Κωνσταντίνος
  • Καρανικόλας Συμεών
  • Μπουρλής Περικλής του Δημητρίου

Επιστημονικός Υπεύθυνος:

Κωνσταντινίδης Κωνσταντίνος Ηλεκτρονικός Φυσικός

Σκοπός κατασκευής του συστήματος A.Li.S.

Η πρόταση στοχεύει στον σχεδιασμό και στην υλοποίηση ενός «έξυπνου» συστήματος μετρήσεων, ελέγχου και διαχείρισης ηλεκτρικής ενέργειας φωτιστικών χώρου (π.χ. σχολική αίθουσα) με σκοπό την εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας (ενός από τα παγκόσμια προβλήματα), σε μια εποχή όπου αφενός οι οικονομικοί πόροι των δημόσιων σχολείων (και όχι μόνο) είναι περιορισμένοι και αφετέρου η ανάγκη για εξοικονόμηση φυσικών πόρων καθώς και η μειωμένη επιβάρυνση του περιβάλλοντος είναι επιβεβλημένη.

Γενικός στόχος

Ο στόχος, είναι η προσαρμογή του φωτισμού του χώρου, άρα και της παρεχόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, συναρτήσει του φυσικού φωτισμού του χώρου (πχ. φωτεινότητα-σκίαση), σε 4 διακριτούς τομείς-περιοχές, αλλά και η ενεργοποίηση/απενεργοποίηση φώτων με κριτήριο την ανθρώπινη παρουσία.

Έτσι το σύστημα A.Li.S. προσαρμόζει την παροχή και κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την λειτουργία των φώτων από 0% έως και 100% σε κάθε έναν από 4 τομείς (4 τεχνητές πηγές φωτός), με σκοπό την ικανοποίηση του επιθυμητού επιπέδου φωτισμού σε κάθε τομέα/περιοχή, το οποίο θα προκύψει από τη συμβολή του τεχνητού και φυσικού φωτισμού του χώρου (πρόκειται για ένα δυναμικό σύστημα που αυτορυθμίζει την λειτουργία του στο επιθυμητό σημείο).

Επίσης, αποφασίζει και ενεργοποιεί/απενεργοποιεί τα φώτα σε περίπτωση που δεν υπάρχει ανάγκη, όταν δηλαδή δεν υπάρχει κανείς στην αίθουσα.

Επομένως. για την υλοποίηση του συστήματος απαιτούνται: αισθητήρας κίνησης, αισθητήρας μέτρησης απόστασης (ειδική απαίτηση, που γίνεται κατανοητή παρακάτω – λειτουργία συστήματος Β) για την αξιολόγηση της παρουσίας ανθρώπου, αισθητήρες φωτός για την μέτρηση-εκτίμηση της φωτεινότητας του χώρου σε διάφορα σημεία και μια ηλεκτρονική μονάδα ισχύος για παροχή της απαιτούμενης ενέργειας στα φώτα.

 

Ειδικοί στόχοι:

  • Προσαρμοσμένος έλεγχος φωτιστικών χώρου / αίθουσας,  σε συνάρτηση με τη φωτεινότητα του χώρου, με σκοπό την βέλτιστη διαχείριση ηλεκτρικής ενέργειας.
  • Λήψη απόφασης για ανθρώπινη παρουσία στο χώρο αξιολογώντας κίνηση και απόσταση.
  • Ενεργοποίηση / απενεργοποίηση φώτων ανάλογα με την απόφαση του προηγούμενου βήματος.

Λειτουργία Α συστήματος A.Li.S. για την επίτευξη του 1ου στόχου:

Όταν το σύστημα εκτελεί αυτή τη λειτουργία, μετράει κάθε χρονική στιγμή τη φωτεινότητα σε κάθε ένα από 4 σημεία της αίθουσας και στη συνέχεια προσαρμόζει διαδοχικά το επίπεδο φωτισμού (dimming) καθεμιάς από τις 4 συστοιχίες φωτισμού (4 ταινίες led),  προσπαθώντας να προσεγγίσει ένα συγκεκριμένο εύρος τιμών φωτεινότητας, το οποίο θεωρείται ικανοποιητικό σε συνθήκες πλήρους απουσίας φυσικού φωτός (νύχτα). Η προσαρμογή συνεχίζεται ομαλά με προκαθορισμένο βήμα έως ότου ρυθμιστούν τα φώτα (όλες οι ταινίες led) ή μέχρι να είναι αδύνατη περαιτέρω ρύθμιση.

Για αυτή τη λειτουργία χρησιμοποιούνται αισθητήρες φωτός (φωτοαντιστάσεις) και μονάδα ισχύος με τρανζίστορ NMOSFET.

Λειτουργία Β συστήματος A.Li.S. για την επίτευξη του 2ου στόχου:

Σε αυτή τη λειτουργία, το σύστημα ελέγχει την απόσταση μεταξύ του αισθητήρα υπερήχων (απόστασης) και της έδρας, για να διαπιστώσει την πιθανή ύπαρξη ανθρώπου μπροστά από τον πίνακα, δεδομένου ότι σε αυτή την περιοχή είναι πιθανό να βρίσκεται καθηγητής ή μαθητής.

Ακόμη, ελέγχει πιθανό σήμα από τον αισθητήρα κίνησης (πυροηλεκτρικό αισθητήρα) ο οποίος βρίσκεται τοποθετημένος στο κέντρο της οροφής της αίθουσας για να ανιχνεύει κινήσεις μαθητών.

Οι παραπάνω έλεγχοι εκτελούνται επαναληπτικά για 20 κύκλους. Μετά το πέρας των 20 επαναλήψεων, το σύστημα A.Li.S. αξιολογεί τα δεδομένα από τους αισθητήρες και αποφασίζει για την ύπαρξη ανθρώπων εντός αίθουσας. Η αξιολόγηση γίνεται συγκρίνοντας των αριθμό γεγονότων από τους αισθητήρες συνολικά  με ένα ελάχιστο προκαθορισμένο όριο.

Λειτουργία Γ συστήματος A.Li.S. για την επίτευξη του 3ου στόχου:

Σε αυτή τη λειτουργία το σύστημα λαμβάνοντας υπόψη την απόφαση που έλαβε για την ύπαρξη ανθρώπων ή όχι στο χώρο, είτε διατηρεί ενεργοποιημένα τα φώτα εφόσον υπάρχουν άνθρωποι (λειτουργίες Α και Β) είτε απενεργοποιεί τα φώτα ομαλά και επιστρέφει στον αρχικό έλεγχο (λειτουργία Β).

Συνολική λειτουργία συστήματος A.Li.S.

Στη συνήθη λειτουργία του το σύστημα εκτελεί έλεγχο και προσαρμογή φωτεινότητας (λειτουργία Β) εντός της λειτουργίας Α.

Επιπρόσθετη λειτουργία – Επέκταση συστήματος (προς διερεύνηση)

Α. Επέκταση (έχει υλοποιηθεί σε επίπεδο hardware)

Λειτουργία Δ συστήματος A.Li.S.:

Σε αυτή τη λειτουργία το σύστημα ανταποκρίνεται σε εξωτερική διέγερση (από τον καθηγητή) και διακόπτει την συνηθισμένη λειτουργία του για να εξυπηρετήσει το εξωτερικό γεγονός που επιβάλλει την ενεργοποίηση / απενεργοποίηση φώτων «χειροκίνητα» (δηλ όχι αυτόματα από την A.L.i.S.) στις ακόλουθες 2 περιπτώσεις:

  1. Πιθανή αστοχία του συστήματος π.χ. για κάποιο λόγο δεν υπάρχει αρκετή κίνηση των μαθητών και καθηγητή και ο αισθητήρας κίνησης δεν ανιχνεύσει κίνηση, ενώ ταυτόγχρονα δεν βρίσκεται κανείς (είτε καθηγητής ή μαθητής)  μπροστά από τον πίνακα, οπότε ο αισθητήρας απόστασης δεν ανιχνεύει άνθρωπο.
  2. Στην αίθουσα πρέπει να πραγματοποιηθεί προβολή βίντεο, οπότε απαιτείται απενεργοποίηση των φώτων και μετά από κάποια ώρα ενεργοποίηση τους. Δηλαδή το σύστημα A.Li.S. πρέπει να βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής με τα φώτα σβηστά, πραγματοποιώντας ελέγχους για ανίχνευση παρουσίας ανθρώπων και να τα ενεργοποιήσει μετά από κάποιο χρονικό διάστημα (πχ 45 λεπτών) στο οποίο θα έχει αξιολογήσει ότι δεν υπάρχει άνθρωπος και άρα θεωρεί ότι ο καθηγητής ξέχασε να επαναφέρει το σύστημα στην φυσιολογική του λειτουργία.

Η εξωτερική διέγερση μπορεί να γίνει με button (έχει ενσωματωθεί στην κατασκευή αλλά δεν έχει υλοποιεί σε επίπεδο προγράμματος-κώδικα ακόμη) ή με τηλεχειρισμό ή με κατάλληλο ηχητικό σήμα και χρήση αισθητήρα ήχου (πχ Sound module με ενσωματωμένο ενισχυτή πχ το ολοκληρωμένο LM386).

B. Επέκταση σε αίθουσα πραγματικών διαστάσεων

Το παραπάνω σύστημα μπορεί να εφαρμοστεί και σε πραγματική αίθουσα (μεγάλη) διαφοροποιώντας τα ακόλουθα:

  1. τις πηγές τεχνητού φωτισμού: αντικατάσταση των 4 ταινιών led (μήκους 20cm/ταινία) με 4 led panel 12 Volt, 14,4W/m (είτε ιδιοκατασκευή είτε έτοιμα)
  2. του τροφοδοτικού: αντικατάσταση του τροφοδοτικού με άλλο ισχύος μεγαλύτερης των 38W (το κύκλωμα οδήγησης led δεν χρειάζεται αντικατάσταση (τα MOSFET ισχύος IRFZ44N μπορούν να παρέχουν συνεχές ρεύμα έντασης έως και 49Α – θα χρειαστούν ψύκτρες)
  3. αισθητήρες, πχ για ανίχνευση κίνησης θα πρέπει να τοποθετηθούν αισθητήρες κίνησης που χρησιμοποιούνται σε συστήματα συναγερμών, σε 2 τουλάχιστον σημεία και για μέτρηση απόστασης ο ίδιος αισθητήρας αλλά προσαρμοσμένος επάνω στην έδρα ή αισθητήρες διακοπής δέσμης.

Οι παραπάνω αισθητήρες θα μπορούσαν να αντικατασταθούν από αισθητήρα διαφορετικής τεχνολογίας από τους παραπάνω, που να μετρούν-αξιολογούν με άλλο και ίσως πιο αξιόπιστο τρόπο την παρουσία ανθρώπων σε ένα χώρο, όπως ο αισθητήρας  D6T Series MEMS Thermal Sensors της Omron Electronics, που ανιχνεύει σε περιοχές του χώρου, θερμότητα ανθρώπου. Ο συγκεκριμένος αισθητήρας έχει υψηλό κόστος (50 ευρώ) για τις ανάγκες του project, αλλά είναι κατάλληλος εάν πρόκειται να εφαρμοστεί το σύστημα σε πραγματική αίθουσα.

Πληροφορίες για τα υλικά, οδηγίες κατασκευής, το λογισμικό και τον κώδικα υπάρχουν στη σελίδα του έργου:

https://github.com/konsk/ALiS

Με την ολοκλήρωση της κατασκευής, μπορούν να εφαρμοστούν τα ακόλουθα διδακτικά σενάρια με τη μορφή διδακτικών παρεμβάσεων, σε 2 ενότητες του μαθήματος Φυσική  Γ Γυμνασίου, όπως παρουσιάζονται στα παρακάτω αρχεία:

Διδακτικό σενάριο (Arduino_activities)

Φύλλα εργασίας 1 & 2 (Arduino_activities).