پایان نامه طراحی سامانه قرائت کنتور آب به شیوه خاموش و ارسال کارکرد با شبکه بی سیم یا تلفن

پایان­نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد "M.Sc."

مهندسی مکاترونیک

چکیده

با توجه به کاهش منابع آب قابل شرب و همچنین گسترش روز افزون جمعیت شهرها،  افزایش تعداد  مشترکان، لزوم افزایش سرعت و دقت در قرائت کنتور و کاهش هزینه های مازاد، برای دستیابی به فناوری های روز دنیا تحقیقات گسترده ای در زمینه قرائت خودکار کنتور ها AMR ( Automatic Meter Reading) در  شرکت های سازنده و ارایه دهنده این خدمات در کشور های مختلف انجام شده است. در ایران نیز فعالیتهایی صورت گرفته است. عمده این تحقیقات بر مبنای آشکار سازی تعداد چرخش عقربه ای  متصل به سیستم چرخ دنده کنتور های مکانیکی متمرکز بوده است که ضرورتا  سامانه آشکار سازی  حرکت عقربه بصورت مداوم فعال بوده به محض، بروز خرابی حتی موقت در بخش الکترونیکی، قطع برق یا اختلال در منبع تغذیه (باطری)  مختل شده و علی رغم کارکرد صحیح بخش شمارش مکانیکی کنتور آب، آشکار سازی و استخراج اعداد واقعی کارکرد پس از برقراری مجدد سیستم تغذیه و یا رفع اختلال موقت بدون دخالت اپراتور فنی در محل میسر نخواهد بود که این نقیصه عملا مانع مهمی برای تحقق سامانه قرائت خودکار کنتور ها AMR به شیوه مذکور محسوب می شود.  بدین ترتیب و با ملاحظه عواقب چالش برانگیز وجود اختلاف و یا خطای تدریجی در قرائت الکترونیکی و نمایش شمارش گر مکانیکی، حالت ایده آل یکسان سازی  اعداد قرائت شده الکترونیکی و نمایشگر مکانیکی علی رغم هرگونه نقیصه احتمالی موقت یا دائم می باشد که در این پایان نامه به آن پرداخته می شود.

در راستای رسیدن به هدف فوق،  طراحی یک نمونه سامانه قرائت کنتور آب الکترونیکی بدون نیاز به منبع تغذیه مداوم و به عبارت دیگر با شیوه خاموش و همراه با امکان ارسال اطلاعات استخراج شده کم حجم با GSM به سامانه نرم افزاری مرکز از نتایج اصلی مورد انتظار این تحقیق می باشد. در این تحقیق یک سامانه قرائت کنتورهای خانگی و ارسال آنها به سرور فرضی سازمان مرکزی توزیع آب منطقه ای و پردازش اطلاعات دریافتی به صورت عددی برای یک مصرف کننده طراحی شده است. تفاوت اصلی روش پیشنهادی در قرائت آف لاین، مصرف توان  بسیار کم و تطابق آن با فنآوری های بومی تولید انبوه کنتور های آب در کشور و قابلیت ارتقای کنتورهای مکانیکی نصب شده فعلی و بدون نیاز به پالس شمار مبتنی بر آشکار کننده چرخش عقربه می باشد. سیستم پیشنهادی که نمونه های  ساده تر آن قبلا توسط برخی شرکت های خارجی تجاری گردیده است بر اساس نمایش مکانیکی کارکرد کنتورو بطریق تصویر برداری تک نوبتی(یک بار به اذای هر درخواست قرائت) و استفاده از کد های دیجیتال(4 بیتی باینری) اعداد، ارتقاء یافته است که نمونه آزمایشگاهی و برد الکترونیکی عملی آن به منظور امکان سنجی روش پیشنهادی پیاده سازی و نتایج تست آن گزارش گردیده است که حاکی از عملکرد موفق روش پیشنهادی می باشد.

کلید واژه: سامانه قرائت کنتور آب، قرائت خاموش، ارسال اطلاعات، قرائت خودکارAMR، پردازش تصویر

مقدمه

با بررسی وضعیت آب در دنیا متوجه بحران آن و در نتیجه لزوم مصرف صحیح آب می شویم.  در موقعیت های خاص جغرافیایی این بحران می تواند نمود بیشتری داشته باشد که کشور ما نیز به دلیل واقع شدن در منطقه خشک و نیمه خشک می تواند جزئی از این موقعیت های خاص جغرافیایی محسوب گردد.

 از طرفی از آنجا که توزیع مناسب و مکفی آب در بخش های مصارف خانگی، صنعتی و کشاورزی یکی از ارکان اقتصادی کشور عزیزمان ایران می باشد، با نگاهی به سرانه مصرف آب که بالاتر از سطح جهانی است متوجه می شویم باید به تلاش در راستای رعایت الگوی صحیح  مصرف آب ادامه دهیم که راه طولانی در پیش است. بعبارت دیگر رعایت یک الگوی مصرف مناسب و مدیریت آگاهانه منابع آب از اولویت های فعلی و آتی  جامعه در حال توسعه ما می باشد که همگان بویژه متصدیان امر آب بر اجرای علمی ، صحیح و سریع آن واقف و مسئولند.

 البته موارد دیگر را نیز باید مد نظر قرار داد که از جمله می توان به سلامت آب  برای کابرد های مختلف و بویژه آب شرب آحاد جامعه اشاره نمود. بایستی ترتیبی اتخاذ شود که در نقاط مختلف، جامعه ای سالم و به دور از بیماری های فصلی و مزمن بتواند در کار و توسعه خویش همتی برتر مبذول نماید.

تهیه آب سالم برای دولتها هزینه وصرف انرژی زیادی را به دنبال دارد که این امر به خوبی رسالت متقابل مصرف کننده و توزیع کننده را برای رعایت فرهنگ مصرف صحیح آب روشن می سازد. همانطور که پیشکسوتان امر  مدیریت منابع آب نیز اعتقاد دارند  اصلاح الگوی مصرف آب باید در جهت تولید ثروت ملی تفسیر شود.

    یک فرد ممکن است از خود بپرسد اصلاح الگوی مصرف به چه معنی می باشد. باید گفت  الگوی مصرف آب اینگونه تعریف شده است که هر فرد برای رفع نیازهای خود در شرب، بهداشت و فضای سبز آنگونه و فقط به میزان مورد نیاز آب مصرف کند تا آب و حیات برای همه در همه ادوار قابل دسترس باشد.

   از طرفی، آموزه های دینی و ملی ما که  معتقد است آب از نعمت ها و رحمت بی بدیل الهی و هدیه ای مقدس برای همه  انسان ها  و حیات طبیعت می باشد. بنابرین  نمی توان در کنترل و مدیریت مصرف آب الویت را با تمهیدات قهریه و محرومیت جمعی قرار داد که احدی را تاب تحمل تشنگی  خردسالی متصور نیست.

 با توجه به این توصیف باید در ایجاد حداکثر تسهیلات در بخش فرهنگ سازی  در مصرف بهینه آب و مدیریت مکانیزه آن تلاش شود که ممکن است کمی دیر هم شده است و لذا به تلاش مضاعف نیاز است.  

   اگر کمی به شرایط واقعی خانواده های مشترکان بنگریم اخذ بهای بیشتر برای آب مصرفی از سرپرست خانوار هم چندان کارگشا نیست، بلکه باید فرهنگ متعالی پرهیز از اسراف  و قناعت بر مقداری که نیاز دیگران را غیر قابل تامین نکند را در یک یک آحاد خانواده و جامعه نهادینه کرد. بعبارت دیگر، این امر را باید چالش مشترکی بین دو طرف اخذ کننده و پرداخت کننده آب بها محسوب نمود.

باید میزان مصرف آب شرب به میزانی بسیار پایینتر از آنچه در کشور ما است برسد، به عنوان مثال مصرف آب باید از 350 لیتر به کمتر از 150 لیتر برسد در حالی که این میزان در برخی کشورهای همسایه ایران به 90 لیتر در روز نیز رسیده است.

   به نظر می رسد که شاید یکی از راه های نهادینه کردن فرهنگ اصلاح مصرف آب، اطلاع رسانی دقیق و به موقع میزان مصرف به مصرف کنندگان و توزیع کنندگان  باشد،  تا طرفین بتوانند مدیریتی صحیح در میزان مصرف آب اعمال نمایند. بهره گیری از پیشرفت های صنعتی  عصر حاضر تسهیلات بیشتری را فراهم کرده است که در این راستا این طرح تعریف و اجراء شود.

   اغلب  کنتورهایی که تا کنون ساخته و نصب شده اند در اعمال مدیریت صحیح به مصرف کننده کمک زیادی نمی کنند بلکه نواقصی هم ممکن است دارا باشند که بر پیچیدگی آن بیافزایند. ساخت و نصب کنتور های جدید هم که در نمونه های  آزمایشگاهی عالی جواب می دهند، راه حل مناسبی برای موضوع نیست و دلیل براین مدعا هم عدم توفیق در اجرای جهانی و در کشور ماست. از طرفی ساخت و تعویض چنین کنتور هایی هزینه و عوارض جانبی سنگینی را به همراه خواهد داشت که شاید مقدور یا مقرون به صرفه نباشد. آمار وزات نیرو نشان میدهد که بیش از 8/98 درصد کنتور های کشور که تعداد آنها تا پایان سال 1392 به  14.384.059   فقره می رسد از نوع متداول مکانیکی هستند و  همچنان این روند ادامه دارد. (سالنامه آماری آب کشور, 1392)

 پس با احتساب این آمار و ارقام متوجه خواهیم شد که نباید در حال حاضر به فکر استفاده از کنتور های جدید برقی برای تعویض کنتور های نصب شده کشور بود.  برای روشن تر شدن این قضیه باید دانست که اغلب کشورهای جهان هم  اقدام به تعویض و جایگزینی کنتور های خود با سیستم های متبادر در ذهن چون کنتور های فراصوت، یا مغناطیسی نکرده اند.  دلیل  اینکه کنتور های الکترونیکی آب (و گاز) ساخته شده اند ولی هنوز از کنتور های مکانیکی و مکانیکی– مغناطیسی بیشتر استفاده می کنند را باید بر خلاف شرایط حاکم بر کنتور های برق (که خود انتقال دهنده منبع الکتریکی و همزمان  اندازه گیری آن هستند) در عدم دسترسی آسان به منبع انرژی مداوم برق الکتریسیته در محل نصب کنتور آب یا گاز جستجو نمود. که عملا اعتماد و اطمینان از تداوم عملکرد آن در شرایط واقعی را فراهم نمی نمایند.

   در خصوص امر قرائت از راه دور هم تلاشهائی در طراحی و ساخت و حسب اطلاع در مواردی  در نصب و بهره برداری از سامانه قرائت از راه دور کنتور ها (AMR )[1] (Bond, 2002)شده است .

  حال با این مقدمه ضرورت ها و مفروضات طرح حاضر را می توان بشرحی که متعاقبا خوهد آمد، جمع بندی نمود. در سامانه قرائت کنتور پیشنهاد شده،  سعی بر آن می شود که ضمن شناخت و بکار گیری مجدد نکات قوت آنها، مشکلات مهم سامانه های دیگر بررسی و تا حد امکان بر طرف شود و سامانه حاصل با   قابلیت نصب و استفاده  آسان ،  امکان قرائت از راه دور و اطلاع رسانی مکفی و بر خط به مرکز جمع آوری داده و همینطور خود مشترک به منظور تسهیل در امر اصلاح الگوی مصرف اقدام شود که البته باید بطور اصولی و طی چند مرحله پیش رفت.

1-2 بیان مسئله

   طراحی نمونه آزمایشگاهی سامانه قرائت کنتور آب الکترونیکی ، به صورت خاموش ، بدون نیاز به منبع تغذیه مداوم، انتقال اطلاعات[2] و سامانه نرم افزاری اطلاعات دریافتی از نتایج اصلی مورد انتظار این طرح می باشد. در این طرح با نصب یک سامانه قرائت کنتورهای خانگی و انتقال اطلاعات به مرکز جمع آوری مکانیزه منطقه ای مجهز به سامانه نرم افزاری پردازش اطلاعات مصرف کنندگان و ارسال آنها به صورت GSM [3]و یا مخابرات باسیم یا بی سیم به سرور مرکزی و پردازش اطلاعات دریافتی به صورت عددی و نمودار مصرف روزانه و ماهیانه هر مصرف کننده و هر منطقه در حد نمونه آزمایشگاهی ولی مشابه شرایط واقعی اقدام می گردد که در صورت اجرای موفق قابل توسعه خواهد بود.

تفاوت اصلی روش پیشنهادی در قرائت خاموش[4] و مصرف توان کم و تطابق آن با فنآوری های بومی تولید انبوه کنتور های آب و کنتور های نصب شده فعلی خواهد بود که در مراحل انجام این پایان نامه به این موارد پرداخته خواهد شد.

1-3  سوالها یا فرضیات

در صورت  قطعی و یا اختلال در برق ، تلفن ، یا باطری اطلاعات کارکرد کنتور نباید از بین برود و یا اینکه نیاز به تنظیم مجدد داشته باشد.

قرائت کنتور توسط نیروی انسانی  هزینه و تبعات اجتماعی زیادی دارد و لازم است  بطریق راه دور و مکانیزه  انجام شود.

دقت آشکار سازی کنتور های مکانیکی  مطلوب است و فقط تغییر نوع قرائت آن  مد نظر است.

1-4 اهمیت و ضرورت

مکانیزه نمودن قرائت میزان مصرف آب مشترکان بدون نیاز به مراجعه حضوری یا محلی

جمع آوری مکانیزه داده های خوانده شده از کنتور های آب برای محاسبه میزان مصرف و پردازش های تکمیلی متمرکز

حفظ اطلاعات[5] میزان مصرف حتی در شرایط قطعی برق، خرابی بخش الکترونیکی  و  یا مخابراتی

اطلاع رسانی سریع و به موقع اطلاعات مصرف آب هر مشترک به مرکز و خود مشترک برای ترغیب ایشان به اصلاح الگوی مصرف آب.

کشف و اعلام هشدار های مهم در خصوص نشتی مداوم و ترکیدگی، یخ زدگی لوله های آب و اتصالات محدوده کنتور،  خرابی بخش الکترونیکی و ...

امکان تنظیم تناوب زمانی تجمیع داده های میزان آب مصرفی بر اساس نیاز در بخش پردازش های تکمیلی

امکان پردازش آماری  برای اعمال مدیریت متمرکز شهری و منابع آب

قابلیت نصب آسان و هزینه مناسب

امکان تولید بومی و توسعه فنآوری های مرتبط که می تواند در اشتغال زائی مهم باشد.

قابلیت ارتقاء برای اهداف جدید نظیر چند زمانه نمودن تعرفه برای کاهش اوج مصرف و استفاده در سایر کنتور ها(برق – گاز)

1-4  اهداف

قرائت  اتوماتیک و غیر حضوری کنتور

اطمینان از حفظ اطلاعات میزان مصرف مشترکان حتی در صورت خرابی سامانه، قطع برق، قطعی ﺁب  یا از بین رفتن شارژ باطری     

کاهش مراجعه حضوری و هزینه های قرائت کنتور با توجه به گستردگی جغرافیائی و تعدد  رو به افزایش کنتورها