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

عدم نیاز به قرائت حضوری و رفع مشکلات مربوط به ﺁن از جمله غیبت مشترک

مستند سازی مطلوب اطلاعات فنی

تضمین بیشتر امنیت اجتماعی

ارزیابی مصارف روزانه، هفتگی و ماهانه، پردازش مکانیزه داده های آب مصرفی وگزارش میزان ﺁب مصرفی مشترکان

استخراج ویژه گی آماری داده ها که بدلیل کاهش تناوب زمانی قرائت حاصل می شود. از آن جمله می توان به موارد نشتی مداوم، ترکیدگی، یخ زدگی،  شناسایی برخی از انواع خرابی ها و انشعاب های غیر مجاز ، شناسایی مصارف بالا و همچنین تجزیه و تحلیل مصارف مشترکان و  گزارش  رعایت الگوی مصرف اشاره کرد.

1-6  تعاریف مفهومی و عملیاتی متغیر ها

با توجه به اینکه کار، بر روی این تحقیق بصورت ماژول های جداگانه می باشد جهت ارسال اطلاعات کنتور قرائت شده به مرکز میتوان از خط تلفن[6] یا بیسیم[7]  استفاده نمود.

[1] Automatic Meter Reading

[2] Information transfer

[3] Global System (or Standard) for Mobile, a standardized international system for digital mobile telecommunication.

[4] Reading Based off Line

[5] retain information

[6] wire-line  telephone network 

[7] wireless 

Abstract

Given the reduction in drinking water sources, daily increase in urban population and number of subscribers, necessity of automation and reliability in meter reading, reduction in extra expenses in order to access to up-to-date technologies of the world, a large number of investigations in the field of Automatic Meter Reading have been carried out in companies constructing and giving these services in different countries. Some activities have been done in Iran as well. Most of these researches are based on observing the number of the circulations of an indicator connected to the gear system of the mechanical meter. This indicator is permanently active, and as soon as a corruption happens, even temporary, in the electronic section, or power cut or problem in feeding source (battery), despite the proper functioning in the mechanical counting part of the water meter, extracting correct digits, after resetting the feeding source of the system or removal of temporary damage without the intervention of a technical operator is not possible. This problem is an important reason for investigating Automatic Meter reading (AMR) in above mentioned method.

Therefore, by observing future challenges, steeply step errors in electronic reading and displaying the mechanical indicator (counter), the ideal case of coordinating the electronically read and mechanically presented numbers, and probable damage, temporary or constant which have been studied in this thesis. In order to reach the above mentioned goal, designing a sample of electronic Automatic Meter Reading device without need of permanent feeding source, in other word with offline method along with the possibility of sending extracted information having less volume with GSM to Centre software device from main results is expected from this study. In this study a device of reading domestic Meters and sending them to the previously addressed server of central organization of local water Distribution Corporation and processing received information in numerical method, for a consumer has been designed. The main difference in the proposed method in reading out of line (offline), is the low power consumption and coinciding it with present domestic technology mass production of the modified water meter in the country  and ability of improving mechanical meters which have been installed presently and needless of a pulse counter based on presenting circulation of indicator.

The proposed system of which some simple samples, have been commercialized by a few foreign companies, has been improved on the basis of presenting mechanical function of the meter and scanning single turn method (one time for one reading request) and using digital codes (4 bite binary) of numbers.

The laboratory sample of the proposed system and its practical electronic board has been reported to evaluate the possibility of the proposed method along with its test results which show the proper functioning of the proposed method.

Key words: Water reading meter device, off reading, Sending information, Automatic meter reading (AMR), Image Processing