Deni Petak0036452847

Svim zainteresiranima

Osnove elektrotehnike i

programiranja

Arduino razvojni komplet

Upute za povezivanje sustava

SEMINARSKI RAD - SPVP

17. travnja 2023

Pametan vjetar

Sažetak

„Pametan vjetar“, naziv je sustava koji se ugrađuje u „pametnu kuću“. Stanarima kuće pruža uvid u sve relevantne karakteristike vjetra. Sustav daje podatke o smjeru i brzini vjetra. Uz sustav je implementirana mini vjetroelektrana koja ima mogućnost napajanja malih elektroničkih uređaja putem USB sučelja. Samim time brinemo i o okolišu. Sustav u slučaju nevremena ima za cilj da ispravi naše eventualne pogreške prilikom izlaska iz kuće . Ako se ne nalazimo u kući, a iz nekog razloga smo ostavili prozore na „kip“ (najčešće radi provjetravanja prostorija), međutim pojavilo se olujno nevrijeme, sustav javlja kući da zatvori prozore ili vrata. Prednost ovakvog sustava je da ne trebamo brinuti da li smo zatvorili sve prozore i vrata. Koristi od ovog sustava imaju stanari „pametne kuće“.

Sadržaj1. UVOD..........................................................................................................................3

2. OPIS SUSTAVA.............................................................................................................4

2.1. Shema sustava....................................................................................................4

3. ARDUINO.....................................................................................................................5

3.1. Arduino Duemilanove..........................................................................................5

3.2. Arduino Xbee Shield............................................................................................5

4. DIJELOVI SUSTAVA......................................................................................................6

4.1. Inkrementalni rotacijski enkoder.........................................................................6

4.2. DC-DC pretvarač..................................................................................................6

4.3. Punjač baterije.....................................................................................................7

4.4. DC motor.............................................................................................................7

5. REALIZACIJA CIJELOG SUSTAVA...................................................................................8

5.1. Anemometar........................................................................................................8

5.2. Mini vjetroelektrana.............................................................................................9

6. PROGRAMSKA PODRŠKA...........................................................................................10

7. ZAKLJUČAK................................................................................................................12

8. LITERATURA..............................................................................................................13

9. Pojmovnik.................................................................................................................14

2

Ovaj seminarski rad je izrađen u okviru predmeta „Sustavi za praćenje i vođenje procesa“ na Zavodu za elektroničke sustave i obradbu informacija, Fakulteta elektrotehnike i računarstva, Sveučilišta u Zagrebu.

Sadržaj ovog rada može se slobodno koristiti, umnožavati i distribuirati djelomično ili u cijelosti, uz uvjet da je uvijek naveden izvor dokumenta i autor, te da se time ne ostvaruje materijalna korist, a rezultirajuće djelo daje na korištenje pod istim ili sličnim ovakvim uvjetima.

Pametan vjetar

1. Uvod

U ljetno doba često napuštajući kuću ne zatvorimo sve prozore kako bi omogućili protok zraka unutar prostora. Mogućnost od promjene vremena je veoma izvjesna. Zbog miješanja toplog i hladnog zraka na-staju oluje. Ovaj sustav automatski javlja pametnoj kući da je oluja i zatvara sve prozore kako ne bi došlo do štete.

Ovakav nadzor kuće daje nam sigurnost od jakog vjetra te ne tre-bamo brinuti da li smo zatvorili sve prozore ili nismo.

Drugi dio sustava koji se sastoji od mini vjetroelektrane je pogodan zato jer je lako prenosiv i daje električnu energiju, recimo za punjenje baterije mobitela. Važno je spomenuti da je vjetar obnovljivi izvor energije pa je zbog toga i ekološki isplativo. Sa svojim USB sučeljem možemo puniti gotove sve današnje elektroničke uređaje, naravno uz pretpostavku da imaju USB sučelje.

Anemometar,uređaj za mjerenje brzine i smjera vjetra, u originalnoj izvedbi je danas još uvijek dosta skup. Ovaj sustav možda i nije najbolje rješenje no svakako je jeftinije od originalne inačice.

3

Pametan vjetar

2. Opis sustava

Sustav „pametan vjetar“ ima zadaću prikupljanja podataka o vjetru i pokretanje sustava unutar kuće za zatvaranje prozora i vrata zbog pre-jakog vjetra. Ujedno služi i za skladištenje električne energije.

Sustav se sastoji od Arduino Duemilanove, Arduino Xbee Shielda, rotacijskog enkodera pomoću kojeg se dobivaju podaci o smjeru vjetra i malog DC motora pomoću kojeg mjerimo brzinu vjetra. Podsustav koji skladišti energiju može biti odvojen od ovog sustava, a on koristi DC-DC pretvornike napona, punjač baterije i punjiva baterija.

Sustav pomoću Arduino Xbee Shielda komunicira s glavnom upra-vljačkom jedinicom „pametne kuće“.

2.1. Shema sustava

Slika 1. Grafički prikaz sustava

4

Pametan vjetar

3. Arduino

Arduino je mikrokontroler otvorenog koda (open-source) koji se temelji na fleksibilnosti i jednostavnosti korištenja hardware i software. Namijenjen je za inženjere, tehničare i svakog tko je zainteresiran za stvaranje interaktivnih objekata i okruženja.

3.1. Arduino Duemilanove

Arduino Duemilanove je tiskana pločica s mikrokontrolerom Atmega168 koja ima 14 digitalnih I/O pinova, 6 analognih ulaznih pinova, 16 MHz kristalni oscilator, USB konektor, sučelje za napajanje, tipku za reset i ICSP zaglavlje.

3.2. Arduino Xbee Shield

Arduino Xbee Shield omogućuje Arduinou bežičnu (wireless) komunikaciju pomoću Zigbee. Pomoću Xbee je moguće komunicirati do 30 metara u zatvorenim prostorima i do 90 metara u otvorenom prostoru (sa optičkom vidljivošću).

5

Pametan vjetar

4. Dijelovi sustava

4.1. Inkrementalni rotacijski enkoder

Inkrementalni rotacijski enkoder je senzor za mjerenje pomaka. Imamo kontaktne, magnetske i optičke enkodere. S enkoderom možemo dobiti informaciju o pomaku. Treba napomenuti da se s prekidom napajanja gubi informacija o apsolutnom položaju. Enkoder naizmjenično daje jedinice i nule na izlazu. Ima dva izlazna signala A i B koji su fazno pomaknuti za 90 stupnjeva. To nam omogućuje na očitamo u kojem smjeru je detektiran pokret. Na slici 2. je prikazan izlaz iz signala A i B te spajanje enkodera na Arduino.

Slika 2. a) prikaz signala A i B , b) spajanje enkodera na arduino

4.2. DC-DC pretvarač

DC-DC pretvarač pretvara istosmjerni napon s jedne naponske razine na neku drugu. U ovom radu koristimo dva pretvarača, jedan pretvara s 1 V na napon od 5 V, a drugi s 3 V na 5 V. Oba kao izlaz imaju USB sučelje. Za lakši pronalazak komponenata engleski nazivi DC-DC Converter 1V-5V To 5V USB i DC-DC Converter 3V-5V To 5V USB.

6

Pametan vjetar

4.3. Punjač baterije

Punjač baterije dobiva napon od 5 V i puni baterije. Na slici 3. je vidljiv punjač. Kada puni upaljena je crvena ledica, a kada je baterija puna svijetli žutozelena ledica. Engleski naziv 5V Mini USB 1A Lithium Battery Charging Board Charger Module

Slika 3. Punjač baterije

4.4. DC motor

DC motor služi kao generator električne struje. Koristi se motor uzet iz kazetofona za mjerenje brzine vjetra. Taj motor je 12 V i oznaka mu je EG-510AD-2F. Kod vjetroelektrane se koristi jači motor koji je uzet iz sušila za kosu koji radi na 18 V i oznaka mu je RS-365S.

7

Pametan vjetar

5. Realizacija cijelog sustava

5.1. Anemometar

Anemometar je uređaj koji mjeri brzinu i smjer vjetra. Ovaj anemometar izveden je pomoću Arduino razvojne pločice, DC motora i inkrementalnog rotacijskog enkodera. Na slici 4. je prikazana shema spajanja komponenata.

Slika 4. Spajanje anemometraDC motor spojen je na analogni pin Arduina i pomoću razine napona

mjerimo brzinu vjetra. Kalibraciju smo proveli tako što smo za ne vjetrovitog dana vozili u autu određenim brzinama i gledali koliki nam napon daje DC motor. Trebamo paziti da se ne stvori preveliki napon na Arduinou pa smo stavili zaštitno sklopovlje koje se sastoji od otpornika, kondenzatora i Zener diode. Kod biranja DC motor nije važno koje je jačine, bolje je da je što manji i da daje što manji napon kako ne bi preopteretili Arduino. Arduino može mjeriti napon od 0 do 5 V.

Smjer vjetra određujemo pomoću enkodera. Da bi enkoder ispravno radio trebamo ga spojiti kao što je prikazano na slici 2.b. Trebamo paziti kako su raspoređeni izvodi enkodera. Enkoder je spojen na digitalne pinove 2 i 3 Arduina. Na pinovima 2 i 3 možemo omogućiti prekide pa ih zbog toga i koristimo.

Pomoću Xbee shielda podaci o vjetru se šalju u glavni sustav.

8

Pametan vjetar

5.2. Mini vjetroelektrana

Kod mini vjetroelektrane se koriste 2 DC-DC pretvornika, baterija, punjač baterije i DC motor. Iz DC motora dobivamo istosmjerni napon koji još nije dovoljno veliki za punjač baterije pa ga je potrebno pretvoriti. To radi prvi DC-DC pretvornik. Punjač baterije puni bateriju. Baterija je uzeta iz starog mobitela. Ovaj punjač može puniti gotove sve baterije od 3 do 4.2V. Na izlazu punjača baterije spaja se paralelno baterija i drugi DC-DC pretvornik koji daje stalnih 5 V putem USB sučelja. Za rad vjetroelektrane potrebna je brzina vjetra od 30 km/h. Sve komponente se spajaju u seriju (+ ide na +, - ide na -) samo se baterija i DC-DC s 3 V na 5V spajaju u paralelu. Na slici 5. je prikazan blok diagram spajanja.

Slika 5. Shema spajanja vjetroelektrane

9

Pametan vjetar

6. Programska podrška

U ovom poglavlju će biti napisan programski kod. Podatke o vjetru šalju se putem Xbee Shielda na centralnu jedinicu. Za više informacija kako slati podatke putem Xbee Shielda pogledati [1].

Primjer programskog koda za ispisivanje podataka putem Xbee komunikacije:

#include <Bounce.h>

int Pin2 = 2; //deklaracija pinova enkodera int Pin3 = 3; unsigned int tcnt2;Bounce bouncer1 = Bounce( Pin2,7 );

int temp_brzvjetra=0;int temp_smjerbr=0;volatile int i=0;volatile long enkoder = 0;volatile unsigned short smjerbr = 0; int analogPin = 3; //deklaracija pina iz DC motorafloat brzvjetra = 0;

float vrijednost = 0;

void setup() { Serial.begin (115200);

pinMode(Pin2, INPUT); pinMode(Pin3, INPUT); pinMode(analogPin, INPUT);

TIMSK2 &= ~(1<<TOIE2); TCCR2A &= ~((1<<WGM21) | (1<<WGM20)); TCCR2B &= ~(1<<WGM22); ASSR &= ~(1<<AS2); TIMSK2 &= ~(1<<OCIE2A); TCCR2B |= (1<<CS22) | (1<<CS20); TCCR2B &= ~(1<<CS21); tcnt2 = 131; TCNT2 = tcnt2; TIMSK2 |= (1<<TOIE2); }

ISR(TIMER2_OVF_vect) { TCNT2 = tcnt2; bouncer1.update(); if(bouncer1.risingEdge()){ if (digitalRead(Pin3)){ enkoder--; if(enkoder==-1){ //ako je -1 onda je to 23 korak enkoder=23;} }else{ enkoder++;} }}

10

Pametan vjetar

void loop(){ smjervjetra(); brzinavjetra(); delay(1000); if(brzvjetra != temp_brzvjetra || smjerbr != temp_smjerbr){ Serial.print("d"); Serial.print(1); Serial.print("s"); Serial.print(3); Serial.print("bv"); Serial.print(brzvjetra); Serial.print("ju"); Serial.print(smjerbr); temp_brzvjetra=brzvjetra; temp_smjerbr=smjerbr; }}

void smjervjetra(){ //funkcija za računanje smjera vjetra enkoder=enkoder%24; //ako je veće od 24 napravi modulo if((enkoder<=1)||(enkoder>=23)){ smjerbr=0;} else if(enkoder<=4){ smjerbr=1;} else if(enkoder<=7){ smjerbr=2;} else if(enkoder<=10){ smjerbr=3;} else if(enkoder<=13){ smjerbr=4;} else if(enkoder<=16){ smjerbr=5;} else if(enkoder<=19){ smjerbr=6;} else{ smjerbr=7;}}void brzinavjetra(){ //funkcija za mjerenje brzine vjetra vrijednost = analogRead(analogPin); //citanje pina 3 brzvjetra =vrijednost/4; //racunanje brzine vjetra }

11

Pametan vjetar

7. Zaključak

U ovom teksu je opisana realizacija jeftinog anemometra i mogućnost upozorenja na oluju. Za sada tu korist imaju samo „pametne kuće“. Pošto se podaci mogu stavljati na internet to može biti iskorišteno u meterološke prilike.

Mini vjetroelektrana je također gledana s aspekta čim jeftinije da svako može kupiti dijelove i sastaviti svoju vjetroelektranu. Moguća poboljšanja vjetroelektrane je bolji generator u smislu da pri manjim brzina vjetra proizvodi dovoljno električne struje.

Pošto sustav javlja kad je došla oluja dobro bi bilo povezati se sa sustav za upravljanjem prozorima, pogledati [2].

12

Pametan vjetar

8. Literatura

[1] Bene Kristijan. Daljinsko upravljanje i nadzor, 2013. URL:

http://pametne-kuce.zesoi.fer.hr/doku.php?id=2013:bene_kristijan:projektni_zadatak

[2] Debelec, Ivan. Sustav upravljanja prozorima, 2012. URL:

http://pametne-kuce.zesoi.fer.hr/doku.php?id=2012:ivan_debelec:start

[3] Zimmerman Joshua. Lithium battery solar USB/iPhone/Arduino Charger, 2012. URL:

http://www.instructables.com/id/Lithium-Battery-Solar-USB-iPhone-Arduino-Charger

[4] Beaufortova ljestvica, 2006. URL: http://hr.wikipedia.org/wiki/Beaufortova_ljestvica (2013-03-10)

[5] Vjetar, 2010. URL: http://hr.wikipedia.org/wiki/Vjetar (2013-04-02)

[6] Arduino: Using a rotary encoder, 2011. URL: http://practicalusage.com/?p=267

13

Pametan vjetar

9. Pojmovnik

Pojam Kratko objašnjenje

Više informacija potražite na

Arduino Arduino razvojna pločica

http://www.arduino.cc

Rotacijski enkoder

Senzor za mjerenje pomaka

http://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_encoder

DC motor Generator DC električne struje

http://en.wikipedia.org/wiki/DC_motor

DC-DC pretvornik

Služi za prilagođavanje napona

http://en.wikipedia.org/wiki/DC-to-DC_converter

Xbee Shield

Bežična komunikacija sa sustavom „pamtene kuće“

http://arduino.cc/en/Main/ArduinoXbeeShield

Punjač baterija

DC punjač punjivih baterija

http://www.candlepowerforums.com/vb/showthread.php?345500-Review-of-Measurement-on-Charger-module-with-TP4056-controller

14