Hardware voor het iNowdomoticasysteem
V.S.Niddha M.D.J.Kaasenbrood
Hardware voor het iNowdomoticasysteem Realisatie van energiemeting, sensoren en actuatoren
Auteurs: Vinay.S.Niddha (1259458) Maaike.D.J.Kaasenbrood (1320203)
Begeleiding: Dr. G.J.M. Janssen
Delft 1 juni ’11 Tudelft , faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica
Voorwoord Deze thesis is geschreven als onderdeel van ons bachelor afstudeerproject voor de Electrical Engineering bachelor van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica van de Technische Universiteit te Delft. Voor ons BAP hebben wij, als groep van 6 studenten, besloten een draadloos huisautomatiseringssysteem, domoticasysteem, te maken. Bij het ontwerpen van een domoticasysteem zijn er een aantal onderwerpen te onderscheiden: het wirelessprotocol, het centrale besturingssysteem inclusief de user interface en de hardware realisatie van het systeem. Op elk ieder van deze drie onderwerpen werken 2 studenten aan een thesis. Deze thesis richt zich op het vinden en realiseren van de hardware voor het iNow systeem. Het systeem bestaat uit een verbruiksmeter, een bewegingssensor en een lichtsensor. Doordat wij een vertraging hebben opgelopen hebben we geen beschikking meer over de resultaten van de twee andere deelgroepen waaronder het centrale besturingssysteem en de user interface. In plaats hiervan hebben we de taak van het besturingssysteem op een alternatieve manier geïmplementeerd waarmee de hardware als nog gedemonstreerd kan worden. Het besturingssysteem is vervangen voor een keuzemodule inclusief een display. In hoofdstuk 1 wordt het probleem uitvoerig besproken, naar aanleiding hiervan wordt in hoofdstuk 2 een programma van eisen vastgesteld voor het totaal systeem en voor de functies specifiek. In hoofdstuk 3 worden de verschillende opties besproken en wordt er op basis van deze informatie een keuze gemaakt ten aanzien van de verschillende mogelijkheden met betrekking tot de energiemeting en de verschillende sensoren: bewegings- en lichtsensoren. De verschillende de implementaties worden bekeken in hoofdstuk 4 waarvan in hoofdstuk 5 de resultaten worden besproken. Met dank aan Dr. G.J.M. Janssen voor de goede begeleiding en hulp en meneer M.Schumacher voor de goede voorzieningen op de Drebbelweg.
i
Samenvatting Voor het BAP hebben wij als opdracht gekozen om een draadloos domoticasysteem te ontwerpen op basis van het ZigBee draadloos netwerk. Het iNow domoticasysteem is een domoticasysteem dat het mogelijk maakt om verschillende taken in huis te automatiseren en inzicht te geven in het verbruik van de aangesloten apparatuur. Het domoticasysteem bestaat uit lichtsensoren, bewegingssensoren en stopcontactpluggen en werkt met draadloze communicatie tussen de modules, via een draadloos ZigBee netwerk. Verder is er een centrale verwerkingsmodule met een user interface, waarmee de gebruiker het systeem kan bedienen. In de stopcontactpluggen wordt de opgenomen energie van een aangesloten apparaat bijgehouden om de gebruiker inzicht te geven in het energieverbruik. Het systeem kan schakelen op basis van sensorinformatie van de licht-en bewegingssensoren. In deze thesis richten wij ons op de hardware van het systeem. De doelstelling van deze thesis is het vinden en realiseren van een passende hardware oplossing voor het iNow domoticasysteem. Deze hardware bestaat uit een bewegingssensor, een lichtsensor en een stopcontactplug waarmee energieverbruik gemeten kan worden en waarmee een apparaat aan-en uitgeschakeld kan worden. Omdat het ZigBee systeem niet meer beschikbaar was is als vervanging een microcontroller gebruikt, om de hardware te demonstreren. Hierin vindt de verwerking van de sensorsignalen plaats, wat oorspronkelijk door het ZigBee systeem zou gebeuren. De energiemeting is gerealiseerd door middel van een spanningsmeetcircuit voor het meten van de spanning, een stroommeetcircuit voor het meten van de stroom en een microcontroller om uit de gemeten spanning en stroom het energieverbruik te bepalen. Voor de bewegingssensor is gebruik gemaakt van een passieve infrarood sensor in combinatie met een RC circuit om de uitgang te stabiliseren. Deze uitgangsspanning wordt in de microcontroller vergeleken met de grenswaarde, deze bepaald of er beweging is gedetecteerd. Voor de lichtsensor is een LDR gebruikt in combinatie met een weerstand. De softwarematige hysterese zorgt ervoor dat de verlichting niet gaat flikkeren. Voor het schakelen is een solid state relais gebruikt, dat aangestuurd wordt door de keuzemodule, die als vervanging van het ZigBee module dient. In de keuzemodule wordt de sensorinformatie verwerkt en op basis hiervan worden de stopcontactpluggen aangestuurd.
ii
Inhoudsopgave Voorwoord ..........................................................................................................................................i Samenvatting...................................................................................................................................... ii Inhoudsopgave .................................................................................................................................. iii 1
Inleiding ......................................................................................................................................1
2
Probleemdefinitie .......................................................................................................................4
3
2.1
Probleemstelling..................................................................................................................4
2.2
Doelstelling .........................................................................................................................4
2.3
Randvoorwaarden ...............................................................................................................4
2.4
Programma van eisen ..........................................................................................................5
Literatuuronderzoek ...................................................................................................................7 3.1
Het meten van energie ........................................................................................................7
3.2
Energiemeters .....................................................................................................................8
3.2.1
Stroommeting ..............................................................................................................9
3.2.2
Keuze van stroommeting ........................................................................................... 11
3.2.3
Spanningmeting ......................................................................................................... 12
3.2.4
Keuze van spanningsmeting ....................................................................................... 12
3.2.5
AD-conversie ............................................................................................................. 13
3.3
3.3.1
Ultrasone bewegingssensoren ................................................................................... 15
3.3.2
Microgolf bewegingssensoren.................................................................................... 17
3.3.3
Opto-elektronische bewegingssensoren, PIR. ............................................................. 17
3.3.4
Keuze van bewegingssensor ....................................................................................... 19
3.4
Lichtsensoren .................................................................................................................... 20
3.4.1
Light Dependent Resistor ........................................................................................... 21
3.4.2
Fotodiode .................................................................................................................. 23
3.4.3
Keuze voor lichtsensor ............................................................................................... 27
3.5
4
Bewegingssensoren. .......................................................................................................... 14
Schakelen .......................................................................................................................... 27
3.5.1
Mechanisch relais ...................................................................................................... 27
3.5.2
Solid State Relais........................................................................................................ 28
3.5.3
Keuze van schakelen .................................................................................................. 28
Implementatie .......................................................................................................................... 30 4.1
Prototype .......................................................................................................................... 30
iii
4.2
5
Energiemeter..................................................................................................................... 31
4.2.1
Spanningsmeetcircuit................................................................................................. 31
4.2.2
Stroommeetcircuit ..................................................................................................... 33
4.2.3
Bewerking stroom en spanningssignalen in de microcontroller .................................. 39
4.3
Bewegingssensor ............................................................................................................... 41
4.4
Lichtsensor ........................................................................................................................ 44
4.5
Schakelen .......................................................................................................................... 46
4.6
Keuzemodule..................................................................................................................... 46
Resultaten................................................................................................................................. 48 5.1
Energiemeter..................................................................................................................... 48
5.2
Bewegingssensor ............................................................................................................... 50
5.3
Lichtsensor ........................................................................................................................ 51
5.4
Schakelen .......................................................................................................................... 52
5.5
Keuzemodule..................................................................................................................... 53
6
Evaluatie ................................................................................................................................... 54
7
Conclusie .................................................................................................................................. 55
8
Bibliografie................................................................................................................................ 57
Appendices ........................................................................................................................................ A Meetresultaten van de stroomtransformator. ............................................................................ A Flowcharts ................................................................................................................................. B Software .................................................................................................................................... D
iv
1 Inleiding Er zijn talloze domoticasystemen op de markt die werken met draadloze communicatie. Elk van deze systemen heeft echter een beperkt aantal functies, zo ontbreekt vaak de mogelijkheid om groepen apparaten gelijktijdig aan te sturen. Een compleet systeem daarentegen is nog altijd te duur. Hierdoor zijn deze totaalsystemen nog nauwelijks gebruikt in gezinshuishoudens. Nu hebben wij, een groep van 6 studenten, hiervoor een systeem ontwikkeld: iNow. Met iNow bieden wij een uitgebreid systeem voor een aanzienlijk lagere prijs. Bij de ontwikkeling van iNow zijn een 3-tal onderwerpen te onderscheiden: de software, het draadloos ZigBee protocol en de hardware. In drie groepen van ieder 2 studenten hebben wij ons gericht op deze drie onderwerpen. In deze thesis richten wij ons op het ontwikkelen van de hardware van het iNow-systeem. Hierbij moesten een aantal functies kunnen worden gerealiseerd: energiemeting, lichtsterktemeting, het detecteren van beweging en het schakelen van aangesloten apparaten. In deze thesis hebben wij ons gericht op het vinden en realiseren van een passende hardware oplossing voor het iNow domoticasysteem. Doordat het centrale besturingssysteem niet meer beschikbaar is valt hieronder ook het implementeren van een keuzemodule die een display aanstuurt en een keuze maakt over het schakelen op basis van sensorinformatie. Het iNow-domoticasysteem geeft u een inzicht in het verbruik van de aangesloten apparatuur, maakt het mogelijk om op afstand apparatuur aan en uit te schakelen en maakt het mogelijk om op basis van sensorinformatie de verlichting in huis aan en uit te zetten. Wanneer het donker genoeg is en er beweging wordt waargenomen schakelen de lampen automatisch aan. Naast deze functie meet het systeem ook het energieverbruik van de aangesloten apparaten. Het systeem bestaat uit het centrale besturingssysteem met user interface, in dit geval een webserver, om bediening via internet mogelijk te maken. Omdat internet tegenwoordig ook via de mobiele telefoon toegankelijk is, kan een smartphone als afstandsbediening functioneren en is het mogelijk zowel binnenshuis als buitenshuis het systeem te bedienen. Vanuit iedere kamer in het huis is het systeem te bedienen. Verder zijn er sensoren en stopcontactpluggen, die via een ZigBee netwerk met de user interface zijn verbonden. In elk van deze units zit een ZigBee module, die informatie verzendt en ontvangt, zodat alles draadloos in contact staat met de user interface. In Figuur 1-1 is een schematische weergave van het systeem te zien.
1
Figuur 1-1: Het iNow domoticasysteem. Deze bestaat uit lichtsensoren, bewegingssensoren en stopcontactpluggen. De stopcontactpluggen kunnen het energieverbruik bijhouden en worden uitgeschakeld om apparaten die op stand-by staan helemaal uit te zetten.
De stopcontactpluggen komen tussen het stopcontact en het aangesloten apparaat te zitten. Deze pluggen bevatten de elektronica om het apparaat aan- en uit te schakelen en het energieverbruik van aangesloten apparaten te meten en deze via het ZigBee netwerk naar het centrale besturingssysteem te sturen. Ook kunnen de stopcontactpluggen worden aan-of uitgeschakeld, zodat het aangesloten apparatuur niet in stand-by staat en geen energie meer verbruikt. De informatie van de sensoren wordt eveneens naar het centrale besturingssysteem gestuurd. In de user interface kunnen op basis van deze informatie, apparaten aan- of uitgeschakeld worden. In Figuur 1-2 is te zien hoe de communicatie binnen het systeem verloopt. De informatie van de sensoren en stopcontactpluggen wordt eerst bewerkt om daaruit de juiste informatie te krijgen. Vervolgens wordt deze informatie naar de ZigBee module gestuurd die in elke plug en sensor aanwezig is. Vanuit de ZigBee module wordt de informatie naar de user interface gestuurd. De communicatie met de stopcontactpluggen verloopt in beide richtingen, vanuit de user interface zijn de actuatoren ook aan te sturen (in dit geval zijn dit de schakelaars in de stopcontactpluggen, om deze aan en uit te zetten).
Figuur 1-2: Informatiestroom iNow domoticasysteem. In het signaalbewerkingsblok wordt informatie van de sensoren verwerkt en worden de actuatoren aangestuurd. Dit blok is verbonden met een ZigBee module, waardoor draadloos kan worden gecommuniceerd met de user interface.
Vanwege de opgelopen vertraging hebben wij het ZigBee systeem niet meer tot onze beschikking. In plaats hiervan gebruiken we een microcontroller voor het visualiseren van het verbruik, door drie 7segmentdisplays aan te sturen, en het maken van de schakelkeuze op basis van de sensorinformatie.
2
Hiermee hebben we de taak van het besturingssysteem op een alternatieve manier geïmplementeerd, waarmee de hardware alsnog volledig kan worden gedemonstreerd. In deze thesis richten wij ons op het ontwerpen van de sensoren en actuatoren. De sensoren, de bewerking van de sensorsignalen en de communicatie met de keuzemodule wordt in deze thesis besproken. Het besturingssysteem en userinterface en het draadloos ZigBee netwerk zijn reeds door de andere deelgroepen onderzocht. Het doel van deze thesis is om een passende hardware oplossing te vinden en te realiseren voor de functies die het iNow-systeem moet kunnen uitvoeren. Deze functies bestaan uit het verrichten van energiemetingen en het gebruik van sensoren en actuatoren. Hierbij is van belang dat de veiligheid van de gebruiker gewaarborgd wordt en het energieverbruik van het ontwerp laag wordt gehouden. In hoofdstuk 0 wordt er op basis van literatuuronderzoek een aantal hardware opties onderzocht. Na afweging van de voor- en nadelen van iedere optie wordt er een keuze gemaakt voor de implementatie. Hoofdstuk 0 beschrijft het prototype en de gekozen implementatie voor ieder van de functies: energiemeting, schakelen, bewegingssensor en de lichtsensor.
3
2 Probleemdefinitie In dit hoofdstuk worden de probleemstelling (2.1) en de doelstellingen (2.2) van dit onderzoek besproken. Vervolgens worden de randvoorwaarden waaraan het ontwerp moet voldoen besproken (2.3).
2.1 Probleemstelling Het iNow domoticasysteem moet een aantal functies kunnen vervullen. Deze zijn: het kunnen schakelen van aangesloten apparaten, het meten van het energieverbruik van deze apparaten wanneer ze door het systeem zijn aangeschakeld, het kunnen schakelen op basis van sensorinformatie (bijvoorbeeld een lichtsensor of bewegingssensor) en het besturingssysteem.
2.2 Doelstelling De doelstelling van deze thesis is het vinden en realiseren van een passende hardware oplossing voor het iNow domoticasysteem. Deze hardware bestaat uit een bewegingssensor, een lichtsensor en een stopcontactplug waarmee energieverbruik gemeten kan worden en waarmee geschakeld kan worden. De stopcontactpluggen moeten ontworpen worden en deze moeten het energieverbruik van een aangesloten apparaat kunnen meten. Deze data moet bewerkt worden naar het juiste formaat zodat het via de keuzemodule op het display weergegeven kan worden. Om te kunnen schakelen op sensorinformatie, moeten licht- en bewegingssensoren gekozen worden. Deze moeten geschikt gemaakt worden voor gebruik in het systeem.
2.3 Randvoorwaarden Het iNow domoticasysteem richt zich op gebruik in normale huishoudens. De netspanning is hier 230 V en de stroom kan maximaal 16 A worden. We beperken ons in het prototype tot stromen van maximaal 2 A rms. Dit komt overeen met een vermogen van maximaal 460 Watt. We hebben in normale huishoudens te maken met zowel reële als complexe belastingen. Het gemeten energieverbruik moet worden verstuurd naar de user interface. De communicatie vindt plaats via de ZigBee modules. De communicatie vindt digitaal plaats. De signalen dienen in 8-bit formaat te zijn om via de ZigBee module verzonden te worden Experimenteel hebben we vastgesteld dat in een gemiddelde woonkamer of kantoor de temperatuur varieert tussen een minimum van 5ᵒC, in de winter wanneer er niemand thuis is, en een maximum van 32ᵒC, in de zomer wanneer de woonkamer gedurende de hele dag in de volle zon staat. Het is belangrijk dat de sensoren onder deze omstandigheden optimaal werken. De lichtsterkte in een kantoor of woonkamer varieert tussen de 10 tot 500 lux. Binnen dit gebied moet het mogelijk zijn een grenswaarde in te stellen die de keuze van aan- of uitschakelen beïnvloed. Als er iemand in de woonkamer rustig een boek aan het lezen is, is het belangrijk dat het systeem dit ziet. Maar wanneer er een vlieg langs de sensor vliegt is het even zo belangrijk dat het systeem dit niet opvat als zijnde een persoon. Het is belangrijk dat iNow een flexibel en voor het oog onopvallend systeem is, hierdoor moet het mogelijk zijn de sensorunits te plaatsen waar de gebruiker er geen last van heeft. Op soortgelijke wijze als een rookmelder. 4
In de stopcontactpluggen moet het energieverbruik van de aangesloten apparatuur, gemeten kunnen worden. Via de ZigBee modules moet de informatie naar de user interface gestuurd kunnen worden, zodat het beschikbaar is voor de gebruiker. Ook moet een stopcontactplug, en daarmee het aangesloten apparaat, uitgeschakeld kunnen worden om zo energie, die opgenomen wordt in de stand-by mode van het apparaat te besparen.
2.4 Programma van eisen Het energieverbruik dient gemeten te kunnen worden om de gebruiker inzicht te kunnen geven in het energieverbruik van huishoudelijke apparaten tot maximaal 460 Watt. Omdat het doel van de energiemeting is om inzicht te geven in het verbruik is een nauwkeurigheid van 5 % acceptabel voor deze toepassing. Omdat we in een normaal huishouden ook te maken hebben met complexe belastingen, dient het energieverbruik van complexe belastingen correct gemeten te worden. De output van de energiemeting, het gemeten verbruik, wordt als een 8-bit digitale waarde weergegeven en wordt via seriёle communicatie verzonden naar de keuzemodule, waar deze zichtbaar gemaakt wordt door middel van displays. De verzendsnelheid voor de seriёle communicatie is vastgesteld op 9,6 kb/s. Er wordt eerst een 0 als startbit verzonden, waarna het 8-bit informatiesignaal volgt. Deze wordt afgesloten met een 1 als stopbit. De energiemeting moet voldoen aan de volgende eisen:
De netspanning van 230 V moet gemeten kunnen worden. Stromen tot maximaal 2 A moeten gemeten kunnen worden Energie van complexe belastingen dient correct gemeten te worden. De gemeten waarde mag maximaal 5 % afwijken van de werkelijke waarde. Output energiemeting dient een 8-bit digitale waarde te zijn. Verzendsnelheid voor seriële communicatie tussen de microcontroller en de ZigBee module is 9,6kb/s. Verzendvorm voor seriële communicatie: 0|8bit informatie|1
Niet iedereen schakelt zijn lichten ’s avonds op dezelfde tijd aan. Zo zullen ouderen het gebrek aan licht rond schemering eerder vervelend vinden dan jongeren. Dit betekent dat iedereen een andere grenswaarde heeft voor de lichtintensiteit. Om ervoor te zorgen dat iedereen het iNow systeem prettig vindt werken is ervoor gekozen de grenswaarde softwarematig in te stellen. De ZigBee module bevat een ADC hierdoor is gekozen om de lichtsensor informatie analoog aan te bieden aan de ZigBee module. Voor de software is het alleen belangrijk te weten of er zich wel of geen persoon in de kamer bevindt, het aantal personen of wat ze aan het doen zijn is niet belangrijk. De bewegingsmelder moet een ja-of nee signaal aanbieden aan de ZigBee module. Voor een goede seriële communicatie tussen de ZigBee module en de PIC16F690 zijn er een aantal eisen waaraan de output van de PIC16F690 moet voldoen: verzendsnelheid van 9,6kb/s, een 0 als startbit daarna 8 bits informatie en een stopbit 1. Doordat het ZigBee systeem niet meer beschikbaar is, zijn er een aantal veranderingen aangebracht in de communicatie tussen verschillende elementen van het systeem. Zo is het niet direct mogelijk om de grenswaarde van de lichtsensor in te stellen. De grenswaarde is vooraf ingesteld in de lichtsensor, hierdoor zendt de lichtsensor alleen een licht-of donkersignaal naar de keuzemodule. De 5
bewegingssensor verzendt een digitaal ja-of nee signaal naar de keuzemodule. De energieverbruiksmeter verzendt serieel het gemeten verbruik naar de keuzemodule, met een snelheid van 9,6kb/s. De keuzemodule stuurt afhankelijk van deze informatie de drie 7-segment displays aan. Het display geeft het verbruik weer in gehele Watts. De sensoren moeten voldoen aan de volgende eisen:
Bewegingsmelder moet ja-of nee signaal aanbieden aan de keuzemodule. Lichtsensor moet een licht-of donkersignaal aanbieden aan de keuzemodule. Verzendsnelheid voor seriële communicatie tussen de microcontroller en de keuzemodule is 9,6kb/s. Verzendvorm voor seriële communicatie: 0|8bit informatie|1 De keuzemodule stuurt een display aan wat het geheel aantal watts weergeeft.
6
3 Literatuuronderzoek 3.1
Het meten van energie
Het energieverbruik van apparaten aangesloten op een stopcontactplug dient gemeten te worden. Wij hebben hierbij te maken met sinusvormige spanningen en stromen. De frequentie van de netspanning is 50 Hertz en de amplitude is . Elektrische energie in een circuit is gedefinieerd als de tijdsintegraal van het vermogen in het circuit, over een bepaalde observatieperiode (Δt):[1] t 0 t
E (t )
p(t )dt (3.1)
t0
Het instantane [2] (tijdsafhankelijke) vermogen dat door een circuit wordt opgenomen is gedefinieerd als de spanning over het circuit vermenigvuldigd met de stroom door het circuit. Dit is het instantane (tijdsafhankelijke) vermogen.
p(t ) v(t ) i(t )
(3.2)
Het actief of reëel vermogen P is het werkelijk opgenomen vermogen, het vermogen dat in arbeid of warmte wordt omgezet. Dit is de gemiddelde waarde van het instantane vermogen p. [2] T
P
T
1 1 p(t )dt v(t ) i(t )dt T 0 T 0
(3.3)
Het actief vermogen kan voor sinusvormige signalen ook bepaald worden als de effectieve waarde van de spanning, de effectieve waarde van de stroom, en het faseverschil tussen de spanning en de stroom bekend is. [2]
P U I cos Hierbij zijn U en I de effectieve waarde van respectievelijk de spanning en de stroom.
(3.4)
is de
fasehoek tussen de spannings- en de stroomfasor. De term cos is de arbeidsfactor. Uit (3.1) en (3.4 )volgt dat de hoeveelheid energie, opgenomen in een periode t , gelijk is aan het actief vermogen in die periode, vermenigvuldigd met de tijd t .
E (t ) P t
(3.5)
Om de energie, opgenomen in een bepaald tijdsinterval, te berekenen dient het actief vermogen bepaald te worden. Het actief vermogen kan worden berekend uit het instantane vermogen, door het tijdsgemiddelde hiervan te nemen. De energie kan ook bepaald worden met behulp van de effectieve waarde van de spanning en stroom en het faseverschil tussen de spanning en de stroom.
7
3.2 Energiemeters Vroeger werd veel gebruik gemaakt van elektromechanische meters voor het meten van energie. De traditionele en meest gebruikte energiemeter is de inductiemeter. Tegenwoordig worden deze elektromechanische inductiemeters steeds meer vervangen door elektronische meters. Deze elektronische meters zijn er in verschillende varianten. Deze kunnen analoog, deels analoog en deels digitaal, of helemaal digitaal zijn. In elektronische meters worden de eerder beschreven functies, voor het bepalen van de energie uit de spanning en de stroom, in ( digitale of analoge) elektronica geïmplementeerd. Dit kan op verschillende manieren gebeuren, afhankelijk daarvan zijn er verschillende soorten elektronische meters te onderscheiden. De functies zijn wel steeds hetzelfde, de stroom en de spanning moeten gemeten worden, deze worden vermenigvuldigd om het vermogen te krijgen en door dit vermogen te integreren over de tijd kan de hoeveelheid energie in die tijd bepaald worden. In Figuur 3-1 is een functioneel blokschema te zien van enkele mogelijke realisaties van een elektronische meter. Eerst wordt de stroom via een stroomtransformator (CT) en een shunt (CS) gemeten en omgezet naar een spanning. De spanning wordt omlaag getransformeerd (VT) en gedeeld (VD). De spanning en stroom die gemeten worden, kunnen, indien nodig, bewerkt worden met analoge signaalbewerkingsblokken (A). Hierna wordt de gemeten spanning en stroom vermenigvuldigd met een analoge vermenigvuldiger (X). Nu kan het vermogen op verschillende manieren verder bewerkt worden om de energie te bepalen. Met een voltage-to-frequency converter (V/f) kan het vermogenssignaal (dat nu een spanning is) worden omgezet in een puls, die vervolgens elektronisch of mechanisch kan worden geteld om zo de energie in een bepaalde tijd te bepalen. Of het vermogenssignaal kan worden gesampled (SH) en geconverteerd naar een digitaal signaal (A/D). Vervolgens kan de integratie van het vermogen over een bepaalde tijd in het digitale domein plaatsvinden (uP) om de hoeveelheid energie in die periode te bepalen. [1]
Figuur 3-1: Functioneel blokschema van een mogelijke elektronische energiemeter. De stroom wordt gemeten via een stroomtransformator (CT) en via een shunt (CS) omgezet in een spanning. De spanning wordt via een transformator (VT) en een spanningsdeling (VD) gemeten. De gemeten spanning en stroom worden na analoge conditionering (A) vermenigvuldigd met een analoge multiplier (X). I – III: Via een voltage-to-frequency converter (V/f) wordt het vermogenssignaal omgezet in een puls, die elektronisch geteld (C) wordt, de energie wordt zichtbaar gemaakt op een display ( D). I – IV: De puls drijft een stappenmotor aan (SM) die een mechanische teller aandrijft (MC). II : Het vermogenssignaal wordt gesampled (SH) en omgezet in een digitaal signaal (A/D). Vervolgens wordt dit met en microprocessor bewerkt (uP) om de energie te berekenen en die zichtbaar te maken op een elektronische display (M/D). [1]
8
De vermenigvuldiging van de spanning en stroom gebeurt analoog, het integreren van het vermogen kan via een voltage-to-frequency converter in combinatie met een mechanische of elektronische teller gebeuren. Of het integreren kan digitaal met een microprocessor, nadat het vermogenssignaal digitaal gemaakt is. De gemeten spanning en stroom kunnen ook meteen digitaal gemaakt worden, waarna de gehele bewerking verder in het digitale domein plaatsvindt. In Figuur 3-2 is een blokschema daarvan te zien. De bewerkingen op de gemeten spanning en stroom (volgens vergelijking (1) en (2)) worden gedaan met een microprocessor. De gemeten spanning en stroom worden na analoge bewerking (A) gefilterd voordat deze gesampled worden (F). [1]
Figuur 3-2: Blokschema van een mogelijke realisatie van een elektronische energiemeter. De stroom en spanning worden gemeten en na analoge bewerking (A) en filtering (F) digital gemaakt (SH en A/D). Vervolgens worden de bewerkingen om de energie te bepalen uit de stroom en spanning, digitaal uitgevoerd met een digital signal processor (DSP). Daarna kan met een microprocessor (uP), het geheugen (M) worden gelezen met Direct Memory Acces (DMA) en kan de energie zichtbaar worden gemaakt op een display (D). [1]
Het belangrijkste in een energiemeter, ongeacht de realisatie, is het meten van de stroom en spanning. Dit moet op een correcte manier gebeuren om een nauwkeurige energiemeter te maken. Verder is de AD-conversie belangrijk, deze wordt in elektronische meters altijd toegepast. Eerst wordt het meten van de stroom besproken, vervolgens wordt de spanningsmeting besproken en tenlsotte wordt de AD-conversie kort besproken. 3.2.1 Stroommeting Het meten van de stroom kan met een shuntweerstand worden gedaan. Om de stroom te meten met een shuntweerstand dient de stroomkring onderbroken te worden. In Figuur 3-3 is een schema te zien van een stroommeting door middel van een shuntweerstand. De te meten stroom loopt hierbij door een shuntweerstand . Door de spanningsval over deze weerstand ( te meten is de te meten stroom te bepalen. (3.6)
9
Figuur 3-3: Het meten van een stroom d.m.v. een shuntweerstand ( ). is de weerstand van de meter, de spanning over de meter en de stroom door de meter. is de te meten stroom en de stroom door de shuntweerstand. De te meten stroom wordt onderbroken en door de shuntweerstand gestuurd. Door de spanningsval over deze weerstand te meten, kan de te meten stroom bepaald worden. De meting wordt beïnvloed door de meetopstelling, omdat de meter geen oneindige impedantie heeft. Er gaat dan een kleine stroom lopen door de meter waardoor de gemeten stroom afwijkt van de echte te meten stroom. [3]
Het belangrijkste nadeel van het meten met een shunt is dat er geen galvanische scheiding is tussen het meetcircuit en het circuit waaraan gemeten wordt. Indien het om stroommeting aan het lichtnet gaat, is dit niet veilig. Een ander nadeel is de beïnvloeding van de meting door het meetapparatuur, waardoor meetfouten kunnen ontstaan. Ook zal bij het meten van grote stromen, er veel energie worden opgenomen in de shuntweerstand. (in een huishouden zijn er stromen tot maximaal 16 A mogelijk, dit betekent zelfs over een weerstand van 1 Ω al een vermogen van maximaal 16 A dat opgenomen wordt.) De voordelen zijn dat er zowel wisselspanning als gelijkspanning gemeten kan worden en dat het een goedkope manier is om de stroom te meten. Het meten van de stroom kan ook door middel van een stroomtransformator. In Figuur 3-4 is een afbeelding van een stroomtransformator te zien. Hierbij is de primaire wikkeling de stroomdraad waardoor de te meten stroom loopt. De secundaire wikkelingen zijn om de ringkern gewikkeld. De secundaire stroom wordt bepaald door de wikkelverhouding van de primaire en secundaire wikkelingen en de primaire stroom:
Is
Np Ns
*Ip (3.7)
Figuur 3-4: Een stroomtransformator. De primaire wikkeling is de draad die door de kern loopt. Dit is tevens de te meten stroom. De secundaire wikkeling is de wikkeling om de kern. [3]
De secundaire stroom is een fractie van de primaire stroom, hierdoor kan door het meten van de secundaire stroom de primaire stroom bepaald worden. Deze wordt dus indirect en contactloos gemeten. De secundaire zijde wordt afgesloten met een shuntweerstand, door hierover de spanningsval te meten, wordt de secundaire stroom bepaald.
10
In Figuur 3-5 is een vereenvoudigd model van een stroomtransformator te zien. Hierin zijn en de primaire en secundaire spanningen van de transformator. In dit model wordt de weerstand van de wikkelingen voorgesteld door
en
Rcus .
Llek p en
De inductiviteit van de ringkern wordt gemodelleerd door de spoel hier afgesloten met de weerstand
. De primaire stroom ,
Lleks stellen de lekfluxen voor. Lm . De secundaire zijde is
, die gemeten dient te worden splitst
zich in de magnetiseringsstroom , de stroom door . De stroom die getransformeerd wordt is , deze is niet gelijk aan de primaire te meten stroom . Er ontstaat dus een fout in de transformatie van de primaire naar secundaire stroom, als de magnetiseringsstroom groter wordt. De fout is afhankelijk van de frequentie, de primaire spanning, en de inductiviteit van de ringkern ( ). Deze beïnvloeden namelijk de grootte van de magnetiseringsstroom [3]. Er zijn verschillende soorten stroomtransformatoren te vinden voor verschillende toepassingen. Afhankelijk van de toepassing worden stroomtransformatoren zo ontworpen dat de meetfout zo klein mogelijk is. Er zijn speciale stroomtransformatoren voor bijvoorbeeld het meten aan hoogfrequente stromen, en weer andere stroomtransformatoren voor het meten aan bijvoorbeeld grote netstromen.
Figuur 3-5: Vereenvoudigd model van een stroomtransformator [3]
Het grootste voordeel van een stroomtransformator is de galvanische scheiding, waardoor deze veilig te gebruiken bij het meten van grote stromen. Verder wordt er minder vermogen opgenomen in de afsluitweerstand van de stroomtransformator, omdat de secundaire stroom van de stroomtransformator veel kleiner is dan de primaire, te meten, stroom. Zo kunnen grote stromen gemeten worden, zonder dat er al te veel energie verloren gaat. Een nadeel van de stroomtransformator is dat er een transformatiefout onstaat die afhankelijk is van het type stroomtransformator. 3.2.2 Keuze van stroommeting Er is gekozen voor de stroomtransformator voor het meten van de stroom. Tabel 3-1 laat de keuzetabel zien.
Galvanische scheiding Neemt weinig energie op Meetfouten Kosten Totaal punten ( 42 mogelijk)
Waardering 5 3 3 3
Shunt 1 Nee 1 Nee 3 Geen last van transformatiefouten 3 Goedkoop 26 / 42
Stroomtransformator 3 Ja 2 Neemt minder energie op dan shunt 2 Wel last van transformatiefouten 2 iets duurder dan weerstand 32 / 42
Tabel 3-1: Keuzetabel voor stroommeting
11
3.2.3 Spanningmeting De spanning die gemeten dient te worden is de netspanning. Deze is te groot om mee verder te werken, dit kan opgelost worden door een spanningsdeling. In Figuur 3-6 is een spanningsdeling te zien. De gemeten spanning is gelijk aan: (3.8)
Figuur 3-6: Spanningsdeling voor het meten van de netspanning.
Deze manier is echter niet veilig, want het meetcircuit is niet losgekoppelt van het lichtnet. Het meten van de spanning kan ook door middel van een transformator. Deze transformeert de netspanning omlaag. De secundaire spanning van de transformator is gelijk aan: (3.9) Indien de secundaire spanning nog niet laag genoeg is voor verdere verwerking, kan nog een spanningsdeling worden toegepast om de spanning in de juiste range te krijgen. Deze manier van spanning meten is veiliger, omdat de transformator zorgt voor een galvanische scheiding tussen het meetcircuit en het lichtnet. 3.2.4 Keuze van spanningsmeting Voor de spanningsmeting is gekozen voor een transformator omdat deze een galvanische scheiding heeft en daardoor veiliger is dan een spanningsdeling rechtstreeks op het lichtnet.
Galvanische scheiding Kosten Totaal punten ( 24 mogelijk)
Waardering 5 3
Spanningsdeling 1 Nee 3 Goedkoop 14 / 24
Transformator 3 Ja 2 iets duurder dan weerstand 21 / 24
Tabel 3-2: Keuzetabel voor spanningsmeting
12
3.2.5 AD-conversie Bij een AD-conversie wordt voor een analoog signaal een binaire representatie gemaakt. Een analoog signaal is continu in tijd en amplitude, een binair signaal heeft discrete tijds-en amplitudewaarden. Een AD-conversie bestaat uit samplen, kwantisatie en codering. Eerst wordt een analoog signaal gesampled. De sampling frequency moet voldoen aan de Nyquist criteria[4] . Na het samplen wordt kwantisatie toegepast, omdat er een bepaald aantal discrete niveaus mogelijk zijn, dat afhangt van het aantal bits. Vervolgens wordt elke discrete niveau gecodeerd met een binaire code. Deze binaire code is dan een representatie van een sample van het analoge signaal. Voor een -bit AD-omzetter geldt dat het aantal mogelijke discrete niveaus voor de amplitude gelijk is aan . De stapgrootte (Δ) is gelijk aan: (3.10) Hierbij is de referentiespanning voor de AD-converter, waar het analoge signaal mee vergeleken wordt. De stapgrootte wordt ook wel de resolutie van de AD-converter genoemd. Door kwantisatie ontstaat een afrondfout . Deze is maximaal een halve stapgrootte: (3.11) Voor de AD-conversie van de spanning en stroomsignalen hebben wij een AD-converter nodig. Omdat deze signalen ook verder digitaal bewerkt moeten worden, is gekozen voor een microcontroller met ingebouwde AD-converter(PIC16F690). Hiermee worden de signalen gesampled en verder digitaal bewerkt om de opgenomen energie te bepalen.
13
3.3
Bewegingssensoren.
Het iNow systeem is onder anderen gericht op het automatiseren van de dagelijkse taken, zoals het aan- en uitschakelen van de lampen, en wat is er handiger dan wanneer je ’s avonds na je werk met armen vol boodschappen je huis binnen stapt en de verlichting gaat automatisch aan? En waarom zouden de lichten aan blijven wanneer er niemand in de kamer is? Om te kijken of er wel of niet iemand zich in de kamer bevindt is er een bewegingssensor aan het systeem toegevoegd. De bewegingssensor is een opzichzelfstaand element dat op verschillende plekken geplaatst kan worden. Het kan bijvoorbeeld aan het plafond gehangen worden, op soortgelijke wijze als een rookmelder, zodat de gebruiker er zo min mogelijk last van heeft. De sensor wordt voornamelijk binnenshuis gebruikt daarom is het belangrijk dat deze goed werkt bij temperaturen tussen de 5 ᵒC, in de winter wanneer er niemand thuis is, en 32 ᵒC, in de zomer wanneer de woonkamer bijvoorbeeld gedurende de hele dag in de volle zon staat. Wanneer iedereen rustig op de bank tv zit te kijken is het belangrijk dat de sensor goed reageert en nog steeds ziet dat er zich iemand in de kamer bevindt, anders worden de lampen uitgeschakeld. Maar aan de andere kant is het belangrijk dat de sensor niet reageert wanneer er geen beweging is, anders zouden de lampen voor niets aangeschakeld worden. Er moet een afweging gemaakt worden ten aanzien van de gevoeligheid van het systeem. Er zijn twee typen sensoren op de markt: actieve en passieve sensoren. Een actieve sensor zendt zelf een signaal uit en haalt uit de reflectie van dit signaal de benodigde informatie, een passieve sensor haalt zijn informatie uit de optische straling die het object van nature uitzendt. De volgende sensoren zullen worden besproken: de actieve ultrasone sensor, de actieve microgolf sensor en de opto-elektronische passieve infrarood sensor. De ultrasone sensor werkt op basis van akoestische golven en de microgolf sensor en de infrarood sensor werken allebei op basis van elektromagnetische golven, zie Figuur 3-7. Voor alle sensoren geldt dat heel kleine bewegingen over het hoofd kunnen worden gezien. Hierdoor wordt het lastig om een stilzittende persoon te herkennen. Aan de andere kant betekent dit ook dat de kans dat de sensor reageert op een voorbij vliegend insect klein wordt. Daarom is gekozen voor één van deze sensoren.
14
Figuur 3-7: Elektromagnetische spectrum. [5]
3.3.1 Ultrasone bewegingssensoren Beveiligingssystemen voor kantoor, huis of auto maken vaak gebruik van ultrasone bewegingsmelders. Deze actieve sensoren staan bekend om hun relatief lage energieverbruik, lage kosten en hoge nauwkeurigheid: 1mm op een afstand van 0,1m t/m 6m[6]. De sensoren werken op akoestische frequenties hoger dan 20kHz waardoor de mens ze niet waarneemt. Sommige (huis-) dieren echter, zoals honden en katten kunnen hier wel last van hebben, [7]. Akoestische golven planten zich voort met de snelheid van het geluid, rond de 343 m/s, maar de geluidssnelheid verandert naar mate de omstandigheden veranderen. Zo kunnen temperatuur, luchtdruk en luchtvochtigheid de geluidssnelheid beïnvloeden. De werking van ultrasone sensoren kunnen aanzienlijk worden beïnvloed door tocht, luchtstromen en trillingen. Als gevolg hiervan verminderen het maximaal bereik en de gevoeligheid van de sensor,[8]. De sensoren ondervinden weinig last van mist of stoffige en luidruchtige omstandigheden. Akoestische golven worden gereflecteerd door doorzichtige en reflecterende oppervlaktes zoals ramen hierdoor zijn ze uitermate geschikt voor het gebruik in de woonkamer. [9] Ultrasone sensoren kunnen worden gebruikt voor snelheids en positiemetingen. Ultrasone sensoren zijn actieve sensoren: er wordt een signaal uitgezonden op een frequentie boven de 20 kHz en uit het gereflecteerde het signaal haalt de sensor zijn gegevens. De snelheids-/bewegingsmeting van de sensoren werkt op basis van het Dopplereffect: de uitgezonden golven worden weerkaatst door muren en ramen maar alleen wanneer ze weerkaatst worden door een bewegend object veranderd de frequentie van de golven. Als de sensor een frequentieverschil waarneemt tussen de uitgezonden en ontvangen golven weet deze dat er een object beweegt in zijn zichtveld. [6]
15
A
B
Figuur 3-8: Werking van piëzo-elektrische keramiek: A als transmitter, B als receiver.[7]
In ultrasone bewegingssensoren wordt het ultrasone signaal opgewekt door gebruik te maken van een piëzo-elektrisch keramisch element. Als er een spanning komt te staan over het keramisch element treedt mechanische vervorming op en zendt deze ultrasone golven uit. Het piëzo-elektrisch effect is omkeerbaar, hierdoor kan hetzelfde element gebruikt worden als ontvanger als de sensor in puls mode wordt gebruikt, zie Figuur 3-8. Wanneer een continu signaal gewenst is zijn een aparte zender en ontvanger nodig. Figuur 3-9 laat de opbouw van een piëzo-elektrische transciever zien. [7]
Figuur 3-9: piëzo-elektrische transceiver.[7]
Voordelen van ultrasone bewegingssensoren:
Ondervindt geen last van mist, stoffige lucht of luidruchtige werkvloer omstandigheden.
Laag energieverbruik (voor een actieve sensor). [6]
Redelijke kosten [6]
Hoge nauwkeurigheid [6], 1mm gevoeligheid op een afstand van 0,1 m t/m 6 m
Nadelen van ultrasone bewegingssensoren: -
Werkt op frequenties hoger dan 20 kHz. Mensen hebben hier geen last van maar dieren kunnen er wel last van krijgen, zoals honden en katten en zeker vleermuizen. [7]
-
Hoger energieverbruik dan een passieve sensor.
-
Werking kan verslechteren door aanwezige luchtstromen. 16
3.3.2 Microgolf bewegingssensoren Microgolfsensoren worden vaak gebruik voor het automatisch openen en sluiten van deuren en zijn te gebruiken als afstands- en snelheidsmeter. Microgolfsensoren werken goed over een groot temperatuurbereik en onder invloeden van buitenaf zoals wind, geluid, stof, mist en hoge luchtvochtigheid. Het zijn goede sensoren om te gebruiken in grote ruimtes zoals fabriekshallen omdat microgolven door dielektrische materialen gaan zoals, glas, hout en papier. [6] Microgolf sensoren werken ook op basis van het dopplereffect. De meest gebruikte frequenties zijn: 10.525 GHz(X-band) en 24.125GHz (K-band). Deze golflengtes zijn groot genoeg om geen last te ondervinden van stof en klein genoeg om grote objecten, zoals mensen, te detecteren, [7]. Het nadeel van het werken op deze frequenties is dat de onderdelen relatief duur zijn in verhouding tot lagere frequenties. Een ander nadeel is dat de straling schadelijk kan zijn voor de gezondheid [6], en hierdoor aan strengere regels zijn gebonden die is vastgelegd in EU-regelgeving. Voordelen van microgolf bewegingssensoren:
Handig in grote ruimtes. [6]
Groot temperatuur bereik. [7]
Werkt goed onder invloeden van buitenaf: wind, geluid, stof, hoge luchtvochtigheid, mist. [7]
Nadelen van microgolf bewegingssensoren: -
Duurdere onderdelen nodig. [6]
-
Straling kan schadelijk zijn voor de gezondheid. [6]
-
Hoger energieverbruik dan een passieve sensor.
3.3.3 Opto-elektronische bewegingssensoren, PIR. Opto-elektronische bewegingssensoren zijn het populairst en worden voornamelijk gebruikt voor het detecteren van beweging van mensen en dieren. Het zijn simpele en goedkope sensoren en worden vaak gebruikt in beveiligingssystemen en in energie management systemen, voor het automatisch aan- en uit schakelen van verlichting [7]. De sensoren detecteren beweging, stilstaande objecten worden niet gedetecteerd, en verschillende bewegende objecten kunnen niet worden onderscheiden. Wanneer zich twee mensen bewegen in het zichtveld van de sensor ziet de sensor dit als één beweging, de sensor kan de twee verschillende mensen niet van elkaar onderscheiden. Ook de afstand en snelheid van de objecten kunnen niet worden bepaald wanneer er een optoelektronische sensor wordt gebruikt. Opto-elektronische sensoren werken op basis van elektromagnetische golven in de range 0,4 t/m 20 µm, dit is het zichtbare licht, en het nabije en verre infrarode gebied. Ieder object met een temperatuur boven het absolute nulpunt: 0K of -273,15°C, zendt elektromagnetische golven uit in het infrarode gebied afhankelijk van zijn temperatuur. Hierdoor zijn objecten met verschillende temperaturen te onderscheiden wanneer er gekeken wordt naar infraroodstraling, [7]. De sensoren detecteren temperatuursveranderingen.
17
Passieve infrarood detector De meest gebruikte opto-elektronische sensor is de passieve infrarood detector, de PIR bewegingsdetector. Deze is gevoelig voor straling met een golflengte tussen de 4 en 20 µm, de straling afkomstig van de mens heeft een gemiddelde golflengte rond de 10µm. Als sensor element wordt een pyro-elektrisch element gebruikt omdat deze goedkoop en simpel is en een goede gevoeligheid heeft. wanneer een pyro-elektrisch element wordt blootgesteld aan infraroodstraling ontstaat er een spanning over het materiaal. Met behulp van een Fresnel lens wordt de IR-straling gecentreerd op het pyro-elektrisch element, hierdoor is er een groot gebied te “bekijken” met een relatief klein pyro-elektrisch element. Als er in het zichtveld van de sensor een mens beweegt verandert de hoeveelheid infraroodstraling op het element, dit zal een spanning veroorzaken over het element. Wanneer deze spanning groter is dan een vooraf bepaalde grenswaarde wordt er een beweging gedetecteerd. Figuur 3-10 laat het pyro-elektrisch effect zien.
(a) Figuur 3-10: Pyro-elektrisch effect. [10] (a) Er wordt geen beweging waargenomen, er zijn geen temperatuursveranderingen. (b) Er wordt beweging gedetecteerd, door de verandering in temperatuur zet het element uit en veroorzaakt een spanning.
Het nadeel van het gebruik van infraroodstraling is de afhankelijkheid van de snelheid van bewegingen. Wanneer iemand heel langzaam beweegt zorgt dit niet altijd voor een spanning groter dan de vooraf bepaalde grenswaarde: er wordt geen beweging gedetecteerd. Aan de andere kant kan het plotseling ontstaan van een warmtebron, zoals het aanslaan van een hete luchttoevoer, zorgen voor een spanning die hoger is dan de grenswaarde waardoor er een beweging wordt waargenomen. Bij normaal gebruik binnenshuis treden deze gevallen niet zo snel op, dit betekent niet dat het niet kan gebeuren. Voor de meeste PIR sensoren geldt dat bewegingen met snelheden tussen de 0,8 m/s en 1,2 m/s goed worden waargenomen. Voordelen van PIR bewegingssensoren:
Passief is goedkoper [11]
Hoge gevoeligheid [6]
Lage kosten [6]
Eenvoudig in gebruik [7]
18
Nadelen van PIR bewegingssensoren: -
Grotere kans op ongewenst alarm [6]
-
Als de lens vuil wordt gaat dit ten kosten van de gevoeligheid en het functioneren van de sensor [6]
-
Verschillende objecten worden niet onderscheiden.
-
Afstand en snelheid kunnen niet worden bepaald.
3.3.4 Keuze van bewegingssensor Voor de bewegingssensor hebben we gekozen voor de passieve infrarood sensor. Tabel 3-3 laat de keuzetabel voor de bewegingssensor zien. waardering ultrasoon weinig last van 3 3 geen last invloeden van buitenaf laag 3 2 laag voor actieve energieverbruik
microgolf 3 weinig last van
PIR 1 vuile lens is een probleem
1 hoger dan passief
Kosten 5 gebruik 5 veroorzaakt overlast gebruik/ installatie 3 afstand/snelheids- 1 bepaling Aantal punten (totaal 60 mogelijk)
1 relatief hoog 1 kan schadelijk zijn voor gezondheid 2 3 ja
3 passieve sensoren hebben laag energieverbruik 3 laag 3 nee
2 redelijk 1 overlast voor vleermuizen, katten honden 2 3 ja 39
31
3 eenvoudig in gebruik 1 nee 52
Tabel 3-3: Keuzetabel voor bewegingssensor.
19
3.4
Lichtsensoren
Om in het huishouden energie te besparen is het belangrijk dat de lampen niet aan zijn wanneer dit niet nodig is, zoals wanneer er zich niemand in de kamer bevindt of wanneer er genoeg licht is. Om ervoor te zorgen dat de lampen alleen aanschakelen wanneer het donker genoeg is wordt er een lichtsensor in het systeem opgenomen. Hierbij is gezocht naar een sensor die goed binnenshuis gebruikt kan worden. Nauwkeurigheid is hierbij geen prioriteit, de gebruiker vindt het niet vervelend wanneer de lampen een halve minuut eerder of later aanschakelen. Er worden in dit hoofdstuk twee lichtsensoren besproken: de fotoweerstand en de fotodiode. Tabel 3-4 laat de meest gebruikte termen zien die gebruikt worden bij het beschrijven van licht en lampen. Naam: Lichtstroom Verlichtingssterkte Lichtsterkte Stralingsintensiteit
Eenheid: Lumen [lm] Lux [lx] Candela [cd] [W/sr]
Beschrijving: Waargenomen vermogen van het licht. Waargenomen vermogen invallend licht per vierkante meter. Waargenomen vermogen van het licht in een bepaalde richting. Daadwerkelijk vermogen van het licht in een bepaalde richting.
Tabel 3-4: Veel gebruikte termen bij het beschrijven van licht en lampen.
De lichtsterkte is het waargenomen vermogen van het licht in een bepaalde richting, deze verschilt van de stralingsintensiteit in dat de lichtsterkte is gecorrigeerd afhankelijk van de spectrale gevoeligheid van het menselijk oog. De ooggevoeligheidskromme is de curve die de spectrale gevoeligheid van het menselijk oog beschrijft, zie Figuur 3-11.
Figuur 3-11: Lichtgevoeligheidscurve van het menselijk oog. Blauw = scotopisch zicht (nacht). Rood = fotopisch zicht (overdag). [12]
Verlichtingssterkte [lux] 0-0,1 10 50 80 100 320-500 400 1000 10,000 – 25,000 32,000 – 130,000
Voorbeeld Maanlicht Schemering Woonkamer Toilet Zeer donkere/bewolkte dag Kantoorverlichting Zonsopgang of zonsondergang op een heldere dag Bewolkte dag Indirect zonlicht Direct zonlicht
Tabel 3-5: Verlichtingssterktes in verschillende situaties.[13]
20
De lichtsensor zal gebruikt worden in kantoren en woonkamers dit komt overeen met een verlichtingssterkte van 10 tot 500 lux, zie Tabel 3-5. De temperatuur in een woonkamer varieert gemiddeld tussen de 5 ᵒC in de winter wanneer er niemand thuis is, en 32 ᵒC in de zomer wanneer de woonkamer gedurende de hele dag in de volle zon staat. Het is belangrijk dat de sensoren ook goed werken onder deze extreme omstandigheden. 3.4.1 Light Dependent Resistor De fotoweerstand, LDR of lichtgevoelige weerstanden worden meestal gemaakt van cadmiumsulfide en cadmiumselenide, dit zijn halfgeleiders waarvan de weerstand verandert wanneer ze worden blootgesteld aan licht. Wanneer het donker is, is de weerstand van de LDR hoog. Wanneer het licht is, is de weerstand laag. Lichtgevoelige weerstanden zijn goedkoop en eenvoudig te gebruiken in zowel DC als AC opstellingen. Een LDR kost rond de 0,26 euro wanneer deze in bulk besteld wordt.
Figuur 3-12: Kenmerkende relatie tussen verlichtingssterkte en weerstand van een LDR. Een verlichtingssterkte tussen de 10 en 500 lux komt overeen met een weerstand tussen de 600Ω en 9kΩ.[14]
Een LDR bestaat uit een isolerende keramische onderlaag waarop een dunne spoor fotoconductief materiaal en twee contacten zijn geplaatst, zie Figuur 3-13. De weerstand bij lichtsterkte H wordt bepaald door de soortelijke weerstand van het fotoconductief materiaal bij lichtsterkte H, H, de breedte van het spoor, w, en de lengte van het spoor, l. (3.12)
21
Figuur 3-13: Bovenaanzicht van een LDR.[15]
Figuur 3-14: Spectrale respons van een LDR, de zwarte dikke curve, en de spectrale response van het menselijk ook, bij nacht, blauwe curve, en overdags, rode curve.[14]
De fysische eigenschappen, de weerstand van een LDR, verandert wanneer deze wordt blootgesteld aan licht. Als invallende fotonen genoeg energie hebben kunnen deze elektronen vrijmaken en naar de conductieband verplaatsen. Hoe meer elektronen er zich in de conductieband bevinden hoe beter het materiaal geleidt. Fotonen die een hogere energieniveau hebben dan de bandgap van het materiaal kunnen elektronen vrijmaken. De LDR reageert op een soortgelijke wijze op licht als het menselijk ook, dit is te zien aan de gelijkenis tussen de lichtgevoeligheids curves in Figuur 3-14. Figuur 3-15 laat de spectrale respons van het menselijk oog zien. Beide werken in het gebied van ongeveer 350nm tot 750nm en hebben een maximale gevoeligheid rond de 550nm, groen licht. Deze eigenschap maakt de LDR goed bruikbaar voor toepassing in het iNow domoticasysteem. De reactiesnelheid van een LDR is relatief hoog, enkele honderden milliseconde [16].
22
Figuur 3-15: Spectrale respons van het menselijk oog.[17]
Voordelen van een LDR:
Lage kosten, een LDR kost rond de 0,26 euro. Eenvoudig te gebruiken met zowel DC als AC circuits. Reageert op soortgelijke manier op verschillende golflengten als het menselijk oog.
Nadelen van een LDR: -
Relatief langzaam, reactietijd van enkele honderden milliseconden.
3.4.2 Fotodiode Een fotodiode is een semiconductordiode waarbij het licht de pn-junctie kan bereiken. Het meest gebruikte materiaal voor een fotodiode is silicium. Een fotodiode zet invallend licht om in een stroom. De maximale gevoeligheid ligt bij het infrarode gebied, rond de 900nm. De cutoff golflengte, , voor silicium is ongeveer 1,1µm. De topgevoeligheid en zijn eigenschappen van silicium en worden bepaald door de bandgap, deze zijn lastig te veranderen.[18]
Figuur 3-16: Spectraal response van een fotodiode.[19]
Als invallende fotonen genoeg energie hebben kunnen deze elektronen vrijmaken in de diode. Fotonen die meer energie hebben dan de bandgap van het materiaal, wat overeenkomt met een golflengte kleiner dan kunnen elektronen verplaatsen naar de conductieband. Voor silicium is de bandgap 1,12eV wat via (3-11) overeenkomt met een golflengte van 1100nm. 23
(3.13) (3-11) beschrijft de relatie van Planck. Relatie tussen de energie van een deeltje en zijn golflengte. h is de constante van Planck 4,14∙10-15eVs. c is de snelheid van het licht, 3∙108 m/s Hoe meer elektronen er zich in de conductieband bevinden hoe beter het materiaal geleidt. Door de verschillen in elektronen- en gatenconcentraties in de n- en p-gebieden gaan deze zich herverdelen en ontstaat er een spanning over de pn-junctie. Door deze herverdeling ontstaat er een gebied waar zich geen losse elektronen of gaten bevinden, het depletiegebied. De spanning over de junctie veroorzaakt in het depletiegebied een elektrisch veld. De vrijgemaakte elektronen en gaten worden door dit veld meegenomen, hierdoor gaat er een stroom lopen.
Figuur 3-17: Het vervangingsschema van een fotodiode.[20]
Figuur 3-17 laat het vervangingsschema van een fotodiode zien. I is de stroom die gegenereerd wordt door het invallende licht. De diode stelt de pn-junctie voor , de shuntweerstand stelt de helling van de I-V curve voor op het punt V=0. , de serie weerstand is de gezamenlijke weerstand van de contacten en het silicium, met uitzondering van het depletiegebied. , de junctiecapaciteit is de vlakke plaat capaciteit die de grensgebieden van het depletiegebied vormen. is afhankelijk van de reverse bias voltage die over de fotodiode staat, Figuur 3-18 geeft deze relatie weer.
24
Figuur 3-18: De onderlinge afhankelijkheid van de inwendige capaciteit, Cj, en de reverse voltage.[20]
Een fotodiode kan op twee manieren worden gebruikt: fotovoltaïsch of fotoconductief. Fotovoltaïsche mode In de fotovoltaïsche mode wordt de fotodiode gebruik als stroombron zoals weergegeven in Figuur 3-19. Doordat er geen externe spanningsbron wordt gebruikt is er geen sprake van een lekstroom. Hierdoor is het eenvoudiger om kleine signalen te onderscheiden en is deze opstelling geschikt voor het meten van lage lichtsterktes. Het nadeel is dat de reactietijd groter is, ten gevolge van inwendige capaciteit, , is groter door een smaller depletiegebied. Deze capaciteit moet eerst worden opgeladen, hierdoor ontstaat er een delay.
Figuur 3-19: Basis circuit van een fotodiode in fotovoltaïsche mode.[21]
Voordelen van een fotodiode in fotovoltaïsche mode: -
Goed te gebruiken voor bij lage lichtsterktes. Geen externe voedingsbron hierdoor geen lekstroom waardoor kleine signalen beter zijn te onderscheiden. Reactiesnelheid in de orde van enkele microseconden, aanzienlijk lager dan van de LDR.
Nadelen van een fotodiode in fotovoltaïsche mode: -
Reactietijd is groter dan wanneer deze in fotoconductieve mode wordt gebruikt.
25
Fotoconductieve mode.
Figuur 3-20: Basis circuit van een fotodiode in fotoconductieve mode.[21]
Figuur 3-20 laat het basisschema zien van een fotodiode in fotoconductieve mode. In de fotoconductieve mode wordt de fotodiode in sperrichting gebruikt en wordt er een externe voedingsbron gebruikt. Door het gebruik van een externe spanningsbron ontstaat er een lekstroom, , die ruis met zich meebrengt dit heeft tot gevolg dat zeer kleine signalen door de fotodiode lastig zijn te onderscheiden. [22]. Hierdoor is het moeilijker om kleine signalen, lage lichtsterktes, te detecteren wanneer de fotoconductieve mode wordt gebruik. Voor de toepassing in het iNow systeem heeft dit geen invloed. Het voordeel is dat de stroomverschillen die ontstaan als gevolg van de wisselende lichtsterktes groter zijn dan in fotovoltaïsche mode, hierdoor zijn deze makkelijker waar te nemen. Door de DC-voeding staat er een grotere spanning over de pn-junctie, dit resulteert in een groter depletiegebied. Hoe groter het depletiegebied hoe kleiner de junctie-capaciteit, , hoe sneller de diode reageert. Voordelen van een fotodiode in fotoconductieve mode:
Veranderingen in uitgangsstroom zijn groter, dan wanneer de diode in fotovoltaïsche mode wordt gebruikt. Reactietijd is korter dan wanneer in fotovoltaïsche mode wordt gebruikt. Reactiesnelheid is aanzienlijk korter dan een LDR.
Nadelen van een fotodiode in fotoconductieve mode: -
Lekstroom door de dc spanningsbron. Lastig om kleine signalen, die bij lage lichtsterktes voorkomen, te onderscheiden. Dit heeft geen invloed op het gebruik in het iNow systeem.
26
3.4.3 Keuze voor lichtsensor Voor het gebruik in de lichtsensor hebben we gekozen voor een LDR. Tabel 3-6 laat de keuzetabel zien voor de lichtsensor. waardering LDR Kosten 5 3 laag Te gebruiken in DC en AC circuits 2 3 Ja Reageert als t oog 4 3 Ja Reactietijd 1 1 Laag Goed bij lage lichtsterktes 3 1 Nee Goed met kleine signaal veranderingen 3 1 nee Aantal punten (totaal 54 mogelijk) 40
diode FV-mode 2 Redelijk 1 Nee 1 Nee 2 Redelijk 3 ja 3 Ja 36
diode FC-mode 2 Redelijk 1 Nee 1 Nee 3 Hoog 1 Ja 2 Ja 28
Tabel 3-6: Keuzetabel voor de lichtsensor
3.5 Schakelen Het systeem moet kunnen schakelen op basis van sensorinformatie. Er moet dus een belasting kunnen worden aan en uitgeschakeld met een schakelaar die door het systeem bediend kan worden. In dit geval door de keuzemodule, aangezien deze het ZigBee systeem vervangt. Het schakelen kan door middel van een relais. In deze paragraaf worden twee soorten relais beproken die gebruikt kunnen worden voor het schakelen in dit systeem. 3.5.1 Mechanisch relais Het mechanisch relais werkt op basis van een spoel. Wanneer er een stroom door de spoel loopt, veroorzaakt deze een magnetisch veld. De kern die zich in deze spoel bevindt wordt hierdoor gemagnetiseerd. Deze kern trekt hierdoor een klein plaatje aan, dat de contacten bedient.
Figuur 3-21: (a) Een monostabiel relais zonder bekrachtiging (b) een monostabiel relais met bekrachtiging, [23]
Er zijn verschillende soorten relais; monostabiele, bistabiele en tristabiele zijn daar enkele voorbeelden van. Een monostabiel relais heeft een bekrachtiging nodig om het contact te behouden. Wanneer de bekrachtiging wegvalt, komt het relais terug naar zijn rusttoestand. In figuur 4.4 is een monostabiel relais te zien. Het bistabiele relais blijft in beide standen staan wanneer de bekrachtiging wegvalt. Het tristabiele relais heeft ook nog een stand waarin er geen contact wordt gemaakt met beide aanwezige contacten.[23]
27
3.5.2 Solid State Relais Het solid state relais bevat in tegenstelling tot het mechanisch relais, geen bewegende onderdelen. Figuur 4.5 laat een schematische weergave van een solid state relais zien. Bij een solid state relais wordt er door de bekrachtiging een led in de behuizing aangezet. In deze behuizing zit ook een fototransistor, doordat de led aanstaat, valt licht op de fototransistor waardoor een triac in geleiding gaat. Dit zorgt ervoor dat de secundaire stroomkring gesloten wordt. [24]
Figuur 3-22: Solid state relais: De ingangsspanning zorgt ervoor dat een led oplicht. Het licht van de led brengt de fototransistor in geleiding, die op zijn beurt ervoor zorgt dat de triac gaat geleiden. Daarbij sluit de triac de stroomkring van de output waardoor de uitgang geschakeld wordt. Nulpuntdetectie wordt toegepast om in te schakelen bij nulpunten van de sinusvormige spanning, zodat er niet plotseling een hoge stroom gaat lopen bij het inschakelen.[24]
3.5.3 Keuze van schakelen Voor het schakelen is gekozen voor een mechanisch relais. Tabel 3-7 laat de keuze zien voor het schakelen. Waardering 5
Mechanisch Relais 1 Groot
Formaat
3
1 Groter dan SSR door mechanische componenten
levensduur
3
1 Bewegende delen onderhevig aan slijtage, daardoor kortere levensduur dan SSR
Geluidloos schakelen
1
1 Maakt geluid bij het schakelen 12 / 36
Bekrachtigingsstroom
Totaal punten (36 mogelijk)
Solid State Relais 3 Kleiner dan mechanisch relais 3 Kleiner vanwege halfgeleidercompenenten
3 langere levensduur dan mechanisch relais, vanwege halfgeleidercompenenten ipv mechanische componenten 3 Schakelt geluidloos 36 / 36
Tabel 3-7: Keuzetabel voor schakelen
Een mechanisch relais is groter dan een solid state relais. In een mechanisch relais wordt er namelijk mechanisch een schakelaar omgezet. In een solid state relais gebeurt dit met halfgeleider componenten, die dan in geleiding worden gebracht. Het doel is om een zo compact mogelijke schakeling te bouwen, zodat alle elektronica past in de behuizing. Deze moet klein genoeg zijn om ingeplugd te worden in een stopcontact. Een solid state relais is kleiner, neemt minder ruimte in beslag dan een mechanisch relais.
28
In een mechanisch relais zitten bewegende delen. Deze zijn onderhevig aan slijtage en kunnen kapot gaan. In een solid state relais zitten geen bewegende delen. Zolang er niet een te grote stroom door het solid state relais wordt gestuurd, zal deze goed blijven werken. Als dit zo is, zal een solid state relais langer meegaan dan een mechanisch relais. Ook werkt een solid state relais geluidloos, in tegenstelling tot een mechanisch relais waarbij het schakelen duidelijk gehoord kan worden. Dit komt door het ontbreken van de bewegende delen in het solid state relais. Mechanische relais hebben een grotere spanning nodig om te kunnen schakelen. Dit omdat er een spoel moet worden bekrachtigd. Er moet voldoende stroom door de spoel gestuurd worden om de ijzerkern te magnetiseren, zodat deze de schakelaar kan omklappen. In een solid state relais is er een kleinere stroom nodig, namelijk enkele mA. Dit komt omdat er alleen een stroom nodig is om een led te laten oplichten, zie paragraaf 3.5.2. In tegenstelling tot een mechanisch relais, waar een spoel moet worden bekrachtigd, is er slechts een stroom nodig om een led te laten branden. Omdat een solid state relais, bij juist gebruik, een langere levensduur heeft, compacter is en een kleinere stroom nodig heeft om relatief grote vermogens te kunnen schakelen, wordt ervoor gekozen om een solid state relais te gebruiken voor het aan- en uitschakelen van de aangesloten apparatuur.
29
4 Implementatie 4.1 Prototype Om de werking van het iNow systeem te laten zien is er gekozen om een prototype te bouwen dat de basisfuncties van het systeem demonstreert. Het prototype bestaat uit een schakelaar, een energieverbruiksmeter en een sensormodule, bestaande uit een lichtsensor en een bewegingssensor. Figuur 4-1 laat de modules van het prototype zien. Doel van het prototype: wanneer het donker is en er beweging wordt waargenomen wordt er een fan (of airco) aangezet, waarvan vervolgens het energieverbruik wordt gemeten. Nadat er 2 minuten lang geen beweging wordt gedetecteerd schakelt het apparaat weer uit. Op deze manier wordt het gebruik gesimuleerd in de gang van een huis als het te donker is en er loopt iemand door de gang wordt er een apparaat, bijvoorbeeld een lamp, aangeschakeld. Er is voor de demonstratie gekozen om een fan aan te schakelen omdat dit een complexe belasting is. Zo kunnen we laten zien dat van alle aangesloten apparatuur, van eenvoudige lampen tot ventilatoren en airco’s, het energieverbruik correct gemeten wordt.
Stopcontactmodule: energiemeter & schakelaar
8bit digitale waarde
Draadloze sensormodule: bewegingssensor & lichtsensor
1bit schakelsignaal
Keuzemodule: op basis van sensorinformatie wordt er geschakeld & het energieverbruik wordt gevisualiseerd op het display
1bit lichtsensorsignaal
1bit bewegingssensorsignaal
Figuur 4-1: Verschillende modules van het prototype.
30
4.2 Energiemeter De energiemeter bestaat uit twee analoge circuits voor respectievelijk de spannings - en stroommeting en een microcontroller om uit de gemeten spanning en stroom het energieverbruik in een bepaalde periode te berekenen. In Figuur 4-2 is het blokschema van de energiemeter te zien.
Spanningmeetcircuit PIC 16F690
V uit analoog ADC, V en I samplen
Bewerking samples V en I
Seriele communicatie via USART
I uit analoog Stroommeetcircuit
KeuzeModule
Figuur 4-2: Blokschema van de energiemeting
De netspanning die gemeten dient te worden is 230 V. De stroom opgenomen in een huishoudelijk apparaat kan variëren tussen 0 en 16 A. Wij beperken ons in het prototype tot het meten van stromen tot 2 A. De spanning en stroom moet gemeten worden en uit de gemeten waarden wordt de opgenomen energie bepaald. Deze bewerking vindt plaats in de microcontroller. Omdat de ADomzetter alleen positieve spanningen tussen 0 V en 5 V aan zijn ingangen accepteert, moeten de gemeten spanning en stroom worden omgezet in een positieve spanning tussen 0 V en 5 V. Dit gebeurt door middel van de spannings –en stroommeetcircuits. In de microcontroller worden de signalen voor de spanning en de stroom gesampled. Deze samples worden bewerkt om hieruit de energieopname te bepalen in een bepaalde periode. Deze informatie kan vervolgens worden verzonden naar de keuzemodule, waar het zichtbaar gemaakt wordt op een display. 4.2.1 Spanningsmeetcircuit Voor de energiemeting dient de netspanning gemeten te worden. De netspanning is redelijk constant en de waarde is bekend, maar het meten van de spanning is noodzakelijk omdat het faseverschil tussen de spanning en stroom van groot belang is bij het bepalen van het gemiddelde opgenomen vermogen , en dus het energieverbruik. De netspanning is een sinusvormige spanning van 230 V rms en een amplitude van . Het spanningsmeetcircuit moet een sinusvormige spanning leveren met een amplitude van maximaal 2.5V rond een gemiddelde van 2.5 V, omdat de AD-omzetter alleen spanningen tussen 0 en 5 V accepteert.
31
AN1
Uout PIC 16F690
R1
TF
VDD
Vnet 230 V
0
GND 0
R2 230:6 1.9 VA
R3 Vref
Va
LM285-2.5 Voltage reference
Vk
Figuur 4-3: Spanningsmeetcircuit.
In Figuur 4-3 is het schema van het circuit te zien. Dit circuit bevat een transformator om de netspanning omlaag te transformeren. Ook zorgt de transformator voor een galvanische scheiding tussen het lichtnet en de rest van het circuit. De wikkelverhouding van de transformator . Het nominaal vermogen bedraagt 1.9 VA. Voor de secundaire spanning van de transformator geldt: (4.1) Hierbij zijn
en
respectievelijk de secundaire en de primaire spanning van de transformator.
Bij een primaire spanning van 230 V (rms) en een nominale belasting van de transformator is de secundaire spanning gelijk aan 6 V (rms). Het afgegeven vermogen is dan 1.9 VA. Voor de nominale belasting geldt: (4.2) De secundaire zijde van de transformator wordt afgesloten met de weerstanden en . Deze vormen samen de belasting . Bij een nominale belasting zou er 1.9 Watt aan energie worden opgenomen in de weerstanden. Dit veroorzaakt veel warmte en is bovendien verloren energie. Om het opgenomen vermogen, en daarmee ook de warmte en verliezen, in deze weerstanden beperkt te houden wordt voor de weerstanden een grotere waarde gekozen. Voor is . Met en is de spanning over gelijk aan: (4.3) Dit is de rms waarde van de spanning, de maximale amplitude van deze spanning is gelijk aan . Dit is de uitgang van het spanningsmeetcircuit. Bij deze spanning moet er een DC waarde van 2.5 V bij worden opgeteld om de spanning tussen 0 V en 5 V te krijgen. Dit gebeurt door aan een kant van de secundaire zijde een referentiespanning van 2.5 V aan te brengen. De referentiespanning wordt verkregen uit een voltage reference ic (TI LM 4040 – 2.5), die wordt gevoed vanuit de microcontroller. Dit ic heeft een ingangsstroom nodig tussen 20 en 20 . Deze wordt 32
verkregen uit
, met
en
. Deze stroom van 5
is voldoende om de voltage
reference ic te voeden, de schakeling die aan dit ic hangt neemt nagenoeg geen stroom op. De spanning
ligt nu, gemeten t.o.v. de ground van de microcontroller, tussen 0 Ven 5V met een
gemiddelde van 2.5 V. Dit signaal is nu geschikt om aan te bieden aan de AD-converter van de microcontroller. 4.2.2 Stroommeetcircuit Het stroommeetcircuit moet de stroom, die de belasting opneemt, meten en omzetten naar een spanning tussen 0 V en 5 V, met een gemiddelde van 2.5 V. De maximale amplitude van de uitgangsspanning van dit circuit is 2.5 V. Het meetcircuit voor de stroom bestaat uit een stroomtransformator die afgesloten is met een shuntweerstand en een voltage reference ic. Het schema van dit circuit is te zien in Figuur 4-4.
AN2
PIC 16F690
I1
I2
Uout GND
CT
VDD
Rs R3 Vref
Va
1:2500 LM285-2.5 Voltage reference
Vk
Figuur 4-4: Stroommeetcircuit
De stroomtransformator (Current Transformer TZ-77) heeft een wikkelverhouding Voor de secundaire stroom geldt:
.
(4.4) Hierbij is de primaire, te meten stroom. Als gevolg van de stroomtransformator ontstaat er een fasefout in de secundaire stroom. Om deze fasefout zo klein mogelijk te houden moet de afsluitweerstand van de secundaire zijde, , zo klein mogelijk zijn. De fasefout is gespecificeerd in de datasheet als 7 +/- 5 graden. De secundaire stroom wordt door de weerstand geldt:
omgezet in een spanning. Voor de spanning over
(4.5) Er wordt gekozen voor worden. De spanning over
, zodat de spanning over groot genoeg is om gemeten te is een maat voor de primaire (te meten) stroom. Om het signaal aan te
33
kunnen bieden aan de microcontroller wordt aan de secundaire zijde een referentiespanning van 2.5 V aangebracht. Nu heeft het signaal waarden tussen 0 V en 5 V met een gemiddelde rond 2.5 V. De stroomtransformator zorgt voor een faseverschuiving tussen de spanning en de stroom. Dit heeft gevolgen voor de energiemeting, want het gemiddelde vermogen dat gemeten wordt, wijkt af van het werkelijke gemiddelde vermogen. Voor een spanning en een stroom , waarbij en de amplitudes zijn van de spanning en stroom en het faseverschil tussen de spanning en de stroom, geldt voor het instantaan vermogen: (4.6) Het gemiddelde vermogen is dan
.
Als de stroom gemeten wordt met een stroomtransformator geldt voor de stroom aan de uitgang van de stroomtransformator (ervan uitgaande dat de amplitude correct gemeten wordt) : , waarbij
(4.7)
de faseverschuiving is ten gevolge van de stroomtransformator is. Voor het gemeten
gemiddelde vermogen geldt nu:
. Er wordt hier dus een meetfout gemaakt door
de faseverschuiving in de stroomtransformator. Deze fout is gelijk aan: (4.8) De grootte van de fout is ook afhankelijk van , het faseverschil tussen de stroom en spanning. Voor graden en graden is de fout gelijk aan 11 %. Voor dezelfde , maar nu met , is de fout gelijk aan 0.8 %. Het faseverschil tussen de te meten stroom en spanning kan voor een grote variatie in de fout zorgen. Bij het meten van het energieverbruik is het niet bekend met wat voor belastingen we te maken hebben. Betreft het een apparaat met een lage , dan kan een kleine fase fout in de stroomtransformator al zorgen voor een grote meetfout. Het is daarom belangrijk om te compenseren voor de fase fout van de stroomtransformator, om te voorkomen dat er meetfouten ontstaan bij de energiemeting. Om de fase fout van de stroomtransformator te kunnen compenseren moeten we eerst weten hoe groot deze fout is, en hoe deze fout verloopt bij stromen variërend tussen 0 en 2 A. Daarom wordt de stroomtransformator getest. Power transformer Ch1
15 V
Vnet 230 V
Rb
GND Oscilloscope Ch2
Variac
CT Rs
Figuur 4-5: Testcircuit voor stroomtransformator
In Figuur 4-5 is de testopstelling voor het meten van de fasefout door destroomtransformator te zien. Er wordt een spanning over een belastingsweerstand aangebracht door middel van een 34
variac. Door de spanning van de variac en de weerstand te variëren kan de stroom gevarieerd worden. Deze stroom wordt door middel van de stroomtransformator (CT) gemeten. De stroomtransformator is afgesloten met de weerstand . De spanning over en wordt met een oscilloscoop gemeten. Met de oscilloscoop wordt het faseverschil tussen de spanning over en bepaald. Omdat het allebei reële belastingen zijn, is het faseverschil tussen deze spanningen het gevolg van de fase fout van de stroomtransformator. Naast de fasefout, kan ook de amplitude overdracht van de stroomtransformator bepaald worden. Dit kan door de gemeten waarde van de spanning over te vergelijken met de berekende waarde. (uitgaande van de gespecificeere overdrachtsverhouding van 1:2500). De stroomtransformator is getest met primaire stromen varierend van 0 A tot 2 A rms. Hierbij is voor elke waarde van de stroom de amplitude en fasefout van de stroomtransformator bepaald. De meetresultaten zijn te vinden in Appendix A en Appendix B. In Tabel 4-1 staan voor enkele stromen tussen 0 en 2 A de gemeten fasefout in microseconden en in graden. Stroom (A) 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 1.2 1.5 1.7 1.9
Fasefout ( us) + 100 + 100 + 80 + 70 + 60 + 60 + 40 + 40 + 40
Fasefout (graden) + 1.8 + 1.8 + 1.4 + 1.3 + 1.1 + 1.1 + 0.7 + 0.7 + 0.7
Tabel 4-1: Gemeten fasefout van de stroomtransformator bij stromen tussen 0 en 2 A.
Uit de meetresultaten blijkt dat de amplitude fout van de stroomtransformator maximaal 5 % is. De fase fout van de stroomtransformator ligt tussen en . Dit komt overeen met + 0.7 graden tot + 1.8 graden (periode graden, graden). Voor kleine stromen tot ongeveer 500 ligt de fase fout rond de + 1.8 graden, voor stromen tussen 500 en 2 A ligt de fase fout rond + 1 graad. De piek-piek spanning over ligt tussen 0 V en 5 V, voor te meten stromen tussen 0 A en 2 A rms. Dit valt precies binnen de range van de AD-omzetter, gemeten stromen tussen 0 A en 2 A rms kunnen juist afgelezen en verwerkt worden door de AD-omzetter. Compensatie fasefout stroomtransformator De fase fout als gevolg van de stroomtransformator moet gecompenseerd worden om te voorkomen dat er grote meetfouten ontstaan bij de energiemeting. De fase fout van de stroomtransformator kan gecompenseerd worden door de uitgangsspanning van de stroomtransformator een extra fase verschuiving te geven die tegengesteld en even groot is als de fase fout van de stroomtransformator. Dit kan analoog door een laagdoorlaatfilter achter te plaatsen. [25]. Dit circuit is te zien in Figuur 4-6.
35
U out
AN2
PIC 16F690
I1
I2 R CT
Rs
GND
VDD
C R3 Vref
Va
1:2500 LM285-2.5 Voltage reference
Vk
Figuur 4-6: Stroommeetcircuit met RC-compensatie voor de fasefout van de stroomtransformator
Het laagdoorlaatfilter heeft de overdrachtsfunctie: (4.9) De bij behorende amplitude en fase overdracht zijn respectievelijk: en
(4.10)
Door de juiste waarden voor R en C te kiezen kan een even grote, maar negatieve fase worden gemaakt, waardoor de fase fout van de stroomtransformator kan worden gecompenseerd. Er ontstaat ook een amplitude fout, omdat de amplitude-overdracht van het filter niet vlak loopt. De amplitude fout is echter klein bij een frequentie van 50 Hz. Figuur 4-7 toont het bode diagram voor een laagdoorlaatfilter, met en . De fase rond een frequentie van 50 Hz is ongeveer -3.6 graden. Dit filter is geschikt om een fase fout van 3.6 graden te compenseren. De amplitude overdracht als gevolg van het filter is bij 50 Hz gelijk aan -0.0174 dB. Dit komt overeen met een factor 0.996. Deze fout in amplitude als gevolg van het filter is klein en mag hier daarom verwaarloosd worden.
36
Figuur 4-7: Response van een laagdoorlaatfilter met R = 1 kΩ en C = 200 nF
Het compenseren voor de fase fout van de stroomtransformator kan ook digitaal gedaan worden. Deze manier van compenseren wordt toegepast nadat de uitgangsstroom van de stroomtransformator is omgezet in een digitaal signaal. De fase fout van de stroomtransformator kan worden gecompenseerd door de uitgangsstroom met een bepaalde periode te vertragen, dat precies overeenkomt met de fase fout. Net zoals bij de analoge manier van compenseren wordt ook nu weer een tegengestelde fase gemaakt, zodat de juiste fase van de ingangsstroom gevonden kan worden. In dit geval wordt die negatieve fase gemaakt door een vertraging van de uitgangsstroom over een aantal samples. De vertraging over een aantal samples is dan steeds een veelvoud van de sample tijd, .De fase fout van de stroomtransformator zal over het algemeen niet precies overeen komen met een veelvoud van de sample delay. Om een willekeurige fase fout te compenseren moet een willekeurige vertraging gemaakt kunnen worden. Dit kan door middel van een single zero FIR filter:[26] (4.11) De group delay van het filter is gelijk aan samplen is:
. De vertraging
, waarbij
de hoekfrequentie na het
is gerelateerd aan de fase volgens:
, met
in
radialen. Als een fase fout gecompenseerd moet worden, kan dat door middel van een filter met de bijbehorende vertraging te maken en het signaal hiermee te filteren. Aan de uitgang van het filter is dan het vertraagde, en dus in fase gecompenseerde, signaal aanwezig. Keuze compensatie fasefout stroomtransformator In Tabel 4-2 zijn de voordelen en nadelen van analoge en digitale fase compensatie opgesomd. De stroomtransformator heeft een fasefout van ongeveer 1.8 graden voor stromen tot ongeveer 500 . Voor stromen tussen en 2 ligt de fase fout rond 1 graad. Met digitale compensatie kan voor elke stroom precies worden gecompenseerd voor de fase fout, deze manier van compenseren zou een nauwkeuriger resultaat opleveren. Digitale compensatie door middel van een 37
FIR filter is echter een stuk complexer en kost meer tijd om te implementeren. Ook moet er voor digitale compensatie, meer stroomsamples worden opgeslagen, om deze te kunnen filteren en zodoende de fase te compenseren. Dit maakt het bewerken van de signalen om de opgenomen energie te bepalen complexer. Analoge compensatie met een RC-filter zal in dit geval een minder nauwkeurig resultaat opleveren, aangezien de fase fout niet constant is. Deze variatie voor stromen in een bepaald gebied is echter klein. Hierdoor zal de fasefout beperkt blijven voor dat gebied. Analoge compensatie is makkelijk te realiseren door een RC-circuit aan de uitgang van de stroomtransformator te plaatsen. Deze functioneert tegelijkertijd ook als anti-aliasing filter. Samples van de spanning en de stroom hoeven niet opgeslagen te worden, omdat de compensatie nu voor de AD-converter gebeurd. De implementatie van analoge compensatie is minder complex en kost minder tijd dan digitale compensatie. Daarom wordt gekozen voor analoge compensatie voor de fasefout van de stroomtransformator.
38
Analoog compenseren
Digitaal compenseren
Voordelen Makkelijk te realiseren door middel van een laagdoorlaatfilter Functioneert tegelijkertijd ook als anti-aliasing filter Implementatie kost niet veel tijd Samples hoeven niet opgeslagen te worden voor compensatie fase fout. Kan voor meerdere fase fouten compenseren. De vertraging die het filter moet geven kan worden aangepast, daarmee ook de compensatie.
Nadelen Moeilijk precies af te stellen a.g.v. tolerantie componenten Kan voor 1 bepaalde fase fout precies compenseren
Implementatie door middel van FIR filter, deze is complexer dan een analoge laagdoorlaatfilter maken De implementatie kost veel meer tijd (filter programmeren) dan een analoge laagdoorlaatfilter maken. De samples van de stroom moeten gedeeltelijk worden opgeslagen om deze te kunnen filteren, om zodoende fase te compenseren
Tabel 4-2: Voor- en nadelen van analoge en digitale compensatie van de fasefout van de stroomtransformator
4.2.3 Bewerking stroom en spanningssignalen in de microcontroller De spanning en stroom, die door het spanningsmeetcircuit en stroommeetcircuit gemeten worden, worden aan de microcontroller aangeboden. Hierin worden deze signalen gesampled, om ze digitaal verder te bewerken en het energieverbruik hieruit te bepalen. De spanning en de stroomsignalen die aan de microcontroller aangeboden worden, zijn sinusvormig met een frequentie van 50 Hertz en liggen tussen 0 V en 5 V met een gemiddelde rond 2.5 V. Volgens de Nyquist sampling theorie [4] moet de sample frequentie minimaal 2 keer de hoogste frequentie van het informatiesignaal om aliasing te voorkomen. In dit geval zal een sample frequentie van minimaal 100 Hz volstaan om de spanning en de stroom correct te converteren naar een digitaal signaal. Er wordt gekozen voor een sample frequentie van 1 kHz. De spanning en stroomsignalen moeten op hetzelfde moment gesampled worden, zodat het instantaan vermogen juist berekend worden. Omdat de AD- omzetter maar 1 AD omzetting tegelijk kan doen, worden de spanning en stroomsignalen na elkaar gesampled. De maximale tijd dat de ADomzetter nodig heeft voor een AD-omzetting bedraagt 50 . De spanning wordt eerst gesampled, de stroom 50 daarna. De stroomsamples zijn dan een 50 vertraagde versie van het originele stroomsignaal. Een vertraging van 50 komt overeen met een fase van -0.9 graden.( periode bij 50 Hz is gelijk aan 20
, dit komt overeen met 360 graden. 50
komt overeen met
) Voor deze faseverschuiving moet gecompenseerd worden. De stroomtransformator veroorzaakt een positieve faseverschuiving tussen spanning en stroom, het na elkaar samplen veroorzaakt een 39
negatieve faseverschuiving. De netto fasefout die overblijft wordt gecompenseerd door de RC-filter. Deze wordt dus zodanig gekozen dat het de positieve fasefout van de stroomtransformator compenseert tot 0.9 graden. Door de vertraging van het na elkaar samplen van de spanning en de stroom komt er een extra fase van -0.9 graden erbij, waardoor er netto geen fasefout overblijft. Voor stromen tot 500 mA dient een netto fase (rekening houdende met de 50 vertraging van het na elkaar samplen) van gecompenseerd te worden om de juiste fase informatie van de stroom te hebben. Voor stromen van 500 mA tot 2 A is de netto fase 0. In dit gebied hoeft dus niet gecompenseerd te worden voor de fase omdat de positieve fase als gevolg van de stroomtransformator en de negatieve fase als gevolg van het na elkaar samplen elkaar opheffen. De samples van de spanning en stroom moeten worden vermenigvuldigd om het instantaan vermogen te krijgen. Er wordt 2 periodes van de signalen gesampled. Dit is voldoende om het gemiddeld vermogen te bepalen voor een minuut, omdat het gemiddelde vermogen in het algemeen nauwelijks zal veranderen binnen een minuut. Het gemiddelde vermogen wordt bepaald door de samples te vermenigvuldigen en te middelen over het aantal samples: (4.12) Hierbij zijn en samples van de spanning en de stroom. is het aantal samples waarover er gemoddeld wordt. Er wordt 2 periodes gesampled, dus . In Figuur 4-8 is een blokschema te zien van de bewerkingen van deze samples. Na de AD conversie worden de samples vermenigvuldigd. Dit is dan een sample van het instantaan vermogen. De samples van het instantaan vermogen worden opgeteld. Na 2 periodes (40 ms) wordt het aantal samples gemiddeld. Dit is dan het gemiddelde opgenomen vermogen. Deze waarde moet echter nog vermenigvuldigd worden met de schalingsfactoren die zijn toegepast om de signalen in de microcontroller te kunnen bewerken. Na vermenigvuldiging met deze factoren krijgen we het werkelijke gemiddeld opgenomen vermogen. Deze waarde wordt vervolgens via seriële communicatie verzonden naar de keuzemodule, waar het zichtbaar gemaakt wordt op een display. ADC Ch1 V
V[n]
P[n] = V[n]*I[n] ADC Ch2 I
Sum
P = 1/N ∑ P[n]
Vermenigvuldigingsf actoren
Verzenden naar keuzemodule
I[n]
Figuur 4-8: Bewerking signalen spanning en stroom in microcontroller
40
4.3 Bewegingssensor Bij de bewegingsmelder is er gekozen voor een timer van 2 minuten. Wanneer de sensor in de gang wordt gebruikt is 2 minuten lang genoeg om ervoor te zorgen dat de lampen niet aan en uit flikkeren wanneer door de gang heen en weer wordt gelopen. Aan de andere kant is het kort genoeg om onnodig energieverbruik tegen te gaan wanneer iemand eenmalig door de gang loopt. Wanneer er 2 minuten lang geen beweging wordt waargenomen worden de lampen weer uitgeschakeld. Het uitgangssignaal van de sensor met controller is een ja/nee-signaal: ‘er is beweging’ of ‘er is al langer dan 2 minuten geen beweging’. Er wordt beweging gedetecteerd wanneer er een spanning afkomstig van de bewegingsmelder boven de 3,8V wordt waargenomen door de controller. In Figuur 4-9 is het blokschema van de bewegingssensor te zien met hierin het meetcircuit en de verwerking in de controller.
41
Bewegingssensor circuit.
V uit tussen 0 en 5 V
Grenswaarde: G = 3,8V 2 min geen beweging:
er is geen beweging: Timer = 1?
Nee
ADC Lezen Input > G?
er is beweging: Ja
reset Timer; Ouput = 1;
Nee Ja
er is al 2 minuten geen beweging: Output = 1;
Output: 0 = er is al 2 min geen beweging 1 = er is beweging
Figuur 4-9: Blokschema voor de bewegingssensor
42
Het RC-circuit zorgt ervoor dat kleine bewegingen, bijvoorbeeld van een voorbijkomende vlieg, niet als een beweging worden waargenomen door het systeem. Wanneer er iemand in het zicht van de sensor beweegt zorgt dit voor een die gemiddeld 5V is, maar niet constant 5V. Tijdens beweging wisselt de spanning tussen de 0 en 5V, het RC-circuit zorgt voor een stabielere uitgangsspanning, . Figuur 4-10 laat de geleidelijk verloop van zien wanneer de spanning zakt van 5V naar 0V. In Appendix D is een flowchart te zien voor het ontwikkelen van de software voor de lichtsensor.
Figuur 4-10: Exponentiële verloop van wanneer wordt opgeladen in het blauw, en wanneer deze wordt ontladen, in het rood. De horizontale groene lijn geeft de grenswaarde weer.
43
4.4 Lichtsensor Experimenteel zijn onder een aantal omstandigheden de weerstandwaarden van de LDR vastgesteld, zie Tabel 4-3. Het is belangrijk ervoor te zorgen dat wanneer het donker is en de lampen aanschakelen, het systeem dit niet interpreteert als dat het weer licht genoeg is en de lampen mogen uit. Hierdoor zouden de lampen aan en uit flikkeren. Om het flikkeren van de lampen tegen te gaan is er een hysterese ingebouwd, belangrijk hierbij is dat beide grenswaarden onder de 3,64V, , gekozen worden, zie Figuur 4-11. In Appendix D is een flowchart te zien voor de software van de lichtsensor. Omstandigheden: Overdag bewolkt Overdag bewolkt in schaduw Grens het is licht Grens het is donker Donker met de lichten aan Schemering donkere dag
10 kΩ 2,00 20 kΩ 2,86 30 35 40 140
kΩ kΩ kΩ kΩ
3,33 3,50 3,64 4,52
V V V V V V
Tabel 4-3: Weerstandswaarden van de ldr onder verschillende omstandigheden.
De lichtsensor heeft een ingebouwde hysterese door gebruik te maken van twee grenswaarden, en . Het is donker als er een spanning hoger dan 3,5V: , over de LDR staat. Het is vervolgens weer licht wanneer er een spanning lager dan 2,7V: , over de LDR staat. Figuur 4-11 laat het meetcircuit en de verwerking van het lichtsensorsignaal zien.
44
Lichtsensor circuit.
V uit tussen 0 en 5 V
Verwerking in de controller.
Inlezen met de ADC Vergelijken met Grenswaarden Gaan en Guit
Als input > Gaan Output = 1
Als input < Guit Output = 0
Output: 0 = het is donker 1 = het is licht
Figuur 4-11: Blokschema voor de lichtsensor.
45
4.5 Schakelen Het systeem moet kunnen schakelen op basis van sensorinformatie. In dit geval wordt gebruik gemaakt van een solid state relais, dat aangestuurd wordt door de keuzemodule, aangezien deze de vervanging is van het ZigBee systeem. In het prototype worden de stopcontactpluggen aan- en uitgeschakeld. Het circuit voor het schakelen is weergegeven in Figuur 4-12.
Figuur 4-12: Solid state relais voor het schakelen van een AC-bron met behulp van een PIC16F690. R zorgt voor een beperkte stroom op de ingang van het relais. en vormen samen het snubbercircuit, deze vangt schadelijke pieken van het lichtnet op. stelt een aangesloten apparaat voor. R = 1kΩ, , .
Vin is de ingangsspanning van het solid state relais, SSR. De weerstand R is nodig om de stroom die het relais binnenloopt te begrenzen. Als de inwendige weerstand van het relais klein is, en er wordt geen weerstand aan de ingang in serie met de bron geplaatst, dan gaat er een te grote stroom lopen waardoor de LED stuk kan gaan. Het relais zal kapot gaan. De AC bron stelt het lichtnet voor en de RLoad stelt een aangesloten apparaat voor. De SSR wordt bediend met een signaal vanuit een microcontroller. Wanneer de microcontroller een poort 1 zet is deze analoog gelijk aan 5V. Wanneer het relais een 5V aangeboden krijgt op zijn ingang zal deze het AC circuit sluiten en zal de aangesloten apparatuur aangesloten zijn op het lichtnet. Het apparaat staat dan aan.
4.6 Keuzemodule De keuzemodule krijgt een aantal signalen binnen: een ja-nee-signaal van de bewegingsmelder, een licht-of-donker-signaal van de lichtsensor en een 8-bit digitale waarde afkomstig van de verbruiksmeter. Op basis van de sensorinformatie wordt het stopcontact aan of uitgeschakeld. Om het 8-bit verbruikssignaal te visualiseren maken we gebruik van drie 7-segment displays. Figuur 4-13 laat de aansturing van deze drie 7-segment displays zien. Om de beurt wordt ieder display aangestuurd, door de hoge frequentie waarmee dit gebeurd is het voor het menselijk oog alsof de displays tegelijkertijd worden aangestuurd.
46
Figuur 4-13: Aansturing van de drie 7-segment displays.
47
5 Resultaten 5.1 Energiemeter De energiemeting is nog niet volledig getest omdat de software nog niet goed werkt. De microcontroller kan de spanning en de stroom na elkaar samplen, maar het bewerken van deze samples werkt nog niet volledig. Deze wordt verder geimplementeerd en getest voor het maken van het prototype. Het spanningsmeetcircuit en de stroommeetcircuit werken goed. Deze leveren een sinusvormige spanning tussen 0 en 5V rond een gemiddelde van 2.5 V aan de ADC van de microcontroller. In is Figuur 5-1 het signaal te zien dat aangeleverd wordt aan de ingang van de ADC.
Figuur 5-1: Uitgangsspanning stroommeetcircuit en spanningsmeetcircuit dat aangeboden kan worden aan de ADC van de microcontroller
In Figuur 5-2 en Figuur 5-3 is compensatie van de fasefout van de stroomtransformator door middel van een RC-filter te zien. In Figuur 5-2 is links de uitgangsspanning van de stroomtransformator te zien. Het rechtersignaal is de spanning van de afsluitweerstand van de vermogenstransformator. 4.2.2. De uitgangsspanning van de stroomtransformator heeft een positieve fase ten opzichte van de uitgangsspanning van de vermogenstransformator. In Figuur 5-3 is de situatie te zien voor compensatie met een RC- filter met R = 1 kΩ en C = 150 nF. Dit geeft volgens (4.9) een fase van – 2.7 graden. In het figuur is inderdaad een faseverschuiving van ongeveer 150 ( -2.7 graden) te zien.
48
Figuur 5-2: Faseverschil als gevolg van stroomtransformator. Links de uitgangsspanning van de stroomtransformator, rechts de uitgangsspanning van de vermogenstransformator uit de testopstelling voor het testen van de stroomtransformator
Figuur 5-3: Het faseverschil is nu kleiner na het toepassen van een RC-filter als compensatienetwerk. Het faseverschil is nu kleiner door compensatie toe te passen.
49
5.2 Bewegingssensor In Figuur 5-4 is te zien hoe de uitgang van de bewegingssensor eruit ziet tijdens één beweging wanneer er geen gebruik wordt gemaakt van een RC-circuit. Tijdens een vloeiende beweging flikkert de uitgang op en neer. Met het RC-circuit zorgen we ervoor dat een vloeiende beweging ook daadwerkelijk als vloeiende beweging wordt gezien. Figuur 5-5 laat zien hoe de uitgang van de bewegingssensor eruit ziet met RC-circuit.
Figuur 5-4: Uitgang van de bewegingssensor, zonder RC-circuit, tijdens een vloeiende beweging.
Figuur 5-5: Uitgang van de bewegingssensor, met RC-circuit, tijdens een vloeiende beweging.
Deze spanning wordt aangeboden aan de analoog-digitaal-converter van de microcontroller. Wanneer de spanning boven 3,8V is wordt er vastgesteld dat er beweging is en geeft de bewegingssensor een hoog signaal door aan de keuzemodule. Wanneer er gedurende 2 minuten achtereenvolgend geen beweging wordt gedetecteerd wordt er een laag signaal gegeven aan de keuze module. In Appendix E staat de software voor de gecombineerde sensormodule.
50
Figuur 5-6: Gecombineerde sensormodule. Het bewegingssensorcircuit is in kleur.
Wanneer iemand zeer kleine bewegingen maakt is het mogelijk dat de sensor deze niet ziet. De timer zorgt ervoor dat de verlichting alleen wordt uitgeschakeld wanneer iemand gedurende 2 minuten lang stil zit, of alleen hele kleine bewegingen maakt. Dit maakt dat de sensor minder geschikt is voor bijvoorbeeld gebruik in een studeerkamer. Dit probleem kan worden verkleind door de timer van 2 minuten te verhogen naar bijvoorbeeld 4 minuten. Aangezien de meeste mensen iedere 4 minuten toch wel beweegt zou de kans dat de verlichting uit gaat aanzienlijk verkleinen.
5.3 Lichtsensor
Figuur 5-7: Gecombineerde sensormodule. Lichtsensor is in kleur.
In Figuur 5-7 is de lichtsensor te zien. Op basis van het uitgangsignaal wordt er in de keuzemodule een keuze gemaakt over het aan en uit zetten van de verlichting. Wanneer het schemert zorgt de softwarematige hysterese ervoor dat de sensor niet gaat flikkeren en ook dat de verlichting niet uit gaat wanneer deze net is aangeschakeld. Qua plaatsing is er 1 beperking: de sensor kan niet onder directe felle verlichting worden geplaatst. Hierdoor wordt de meting verstoord en kan het gebeuren dat de verlichting achter elkaar aan en uit wordt geschakeld. Dit kan worden opgelost door in 51
samenwerking met de bewegingssensor een keuze te maken over het aan- en uitschakelen van de verlichting. In dit geval gaat de verlichting aan wanneer het donker is en er beweging wordt gedetecteerd. De verlichting gaat pas uit wanneer er geen beweging wordt gedetecteerd, deze keuze hangt niet langer af van de lichtsensor. Op deze manier kan de sensor ook onder felle verlichting worden geplaatst. In Appendix E is de software van de gecombineerde sensormodule te lezen.
5.4 Schakelen Het schakelen van de stopcontactpluggen is gerealiseerd door gebruik te maken van een solid state relais. Dit solid state relais wordt aangestuurd door de microcontroller. De solid state relais is getest door een secundair circuit bestaande uit een wisselspanningbron van 10V 50Hz en een LED te schakelen. Het relais wordt aangestuurd door de microcontroller. Hierbij is de microcontroller de 5V voeding die de relais nodig heeft op de secundaire circuit te sluiten. Omdat er een juiste stroom moet lopen om de relais te laten functioneren, is er een weerstand van 1 kΩ in serie geplaatst met de uitgang van de microcontroller en het relais. In Figuur 5-8 en Figuur 5-9 zijn de resultaten van de test te zien. In Figuur 5-8 is de testled (rood omcirkeld) aan. De poort van de microcontroller die het relais aanstuurt is zichtbaar gemaakt door de 3e led van bovenuit (blauw omcirkeld) aan deze poort te koppelen. Als deze led brandt, dan is de poort hoog. In de afbeelding is te zien deze led brandt. De poort van de microcontroller is dan hoog. Ook is te zien dat de led circuit door het relais aangeschakeld wordt, aangezien de led in dit circuit(rood omcirkeld) ook brandt. In Figuur 5-9 is de poort uitgezet, de bijbehorende led is dan ook uit. Nu is te zien dat de led uit het testcircuit ook uit is. De 10V 50Hz voeding is tijdens de gehele test niet uitgeschakeld, het circuit wordt alleen uitgeschakeld door het relais.
Figuur 5-8: Testcircuit voor het solid state relais. Hier staat de SSR aan, waardoor de gele led in het testcircuit aangeschakeld wordt.
52
Figuur 5-9: testcircuit voor de solid state relais. De SSR staat uit, de gele led staat ook uit. Het testcircuit staat uit, dit betekent dat het circuit onderbroken is.
5.5 Keuzemodule
Figuur 5-10: Het display.
Het 8-bit informatiesignaal afkomstig van de verbruiksmeter wordt omgezet en weergegeven op de displays, in gehele Watts. Figuur 5-10 laat het display zien wat door de keuze module wordt aangestuurd. Voor het prototype hebben we gekozen om de verlichting aan te zetten wanneer het donker is en er beweging wordt gedetecteerd. De verlichting gaat pas uit wanneer er geen beweging meer wordt gedetecteerd. Op deze manier wordt onnodig energieverbruik optimaal tegen gegaan. In Appendix F is de software voor de aansturing van het display te lezen.
53
6 Evaluatie We hebben samen gekozen om de hardware te realiseren omdat het een gevarieerd onderdeel van het iNow systeem is. Zo hebben we onder anderen gesimuleerd, gesoldeerd en geprogrammeerd. We vonden dit een leerzaam project. Niet alleen omdat we onze kennis die we over de jaren hebben opgebouwd hebben kunnen toepassen maar ook het werken aan een groots zelfstandig project hebben we veel van geleerd. De eerste keer dat we aan het project hebben gewerkt hadden we een verkeerde instelling: we hadden alleen een specifiek eindproduct in gedachten. We hadden ons niet gericht op de fundering die nodig is om tot dit eindproduct te komen. Hierdoor hebben we veel fouten gemaakt. Gelukkig hebben we een verse start gekregen. Door deze keer eerst een goede fundering neer te leggen door middel van een literatuuronderzoek en goed doordachte keuzes heeft dit tot een succesvol eindproduct geleidt. We konden door ons vooronderzoek beter inspelen op tegenslagen en problemen die op ons pad kwamen. Hierbij hebben we goede begeleiding gehad van Dr. G.J.M. Janssen. Het werken aan een zelfstandig project hadden we in deze maten nog niet meegemaakt en is ons ook redelijk tegengevallen. Maar met de juiste begeleiding hebben we hier veel van geleerd voor de komende projecten. De samenwerking verliep goed maar na een jaar samen te hebben gewerkt aan het project zullen we opgelucht zijn wanneer dit niet meer het geval is.
54
7 Conclusie De doelstelling van deze thesis is het vinden en realiseren van een passende hardware oplossing voor het iNow domoticasysteem. Deze hardware bestaat uit een bewegingssensor, een lichtsensor en een stopcontactplug waarmee energieverbruik gemeten kan worden en waarmee een apparaat aan-en uitgeschakeld kan worden. De energiemeting is nog niet volledig getest, de sensoren en de schakelmogelijkheid zijn wel volledig getest en deze werken goed. Energiemeting De energiemeting heeft als doel de gebruiker inzicht te geven in het energieverbruik. De energiemeting is geïmplementeerd door middel van een spanningsmeetcircuit, een stroommeetcircuit en een microcontroller voor het berekenen van het gemiddeld opgenomen vermogen uit de gemeten spanning en stroom. Het gemiddeld opgenomen vermogen wordt elke minuut verstuurd naar de keuzemodule en daar zichtbaar gemaakt op een display. De software van de energiemeting werkt nog niet volledig. De energiemeting is ook nog niet als geheel getest met de rest van het systeem. Bewegingssensor Voor de bewegingssensor is gebruik gemaakt van een passieve infrarood sensor in combinatie met een RC circuit om de uitgang te stabiliseren. Wanneer er gedurende 2 minuten geen beweging wordt gedetecteerd wordt de verlichting uitgeschakeld. Op deze manier wordt onnodig energieverbruik tegen gegaan. Wanneer iemand gedurende lange tijd stil zit zal de sensor de lichten uit schakelen. Dit kan worden voorkomen door de timer aan te passen. Wanneer de sensor gebruikt wordt in een gang is 2 minuten ruim voldoende, wanneer de sensor gebruikt zal worden in een studeerkamer is een timer van 4 minuten beter te gebruiken. Lichtsensor Voor de lichtsensor is een LDR gebruikt in combinatie met een weerstand. Er is softwarematig een hysterese ingebouwd om flikkeren tegen te gaan. De sensor werkt goed alleen qua plaatsing is er één beperking: hij kan niet onder directe felle verlichting worden geplaatst. Wanneer er geschakeld wordt op informatie van de lichtsensor om informatie van de bewegingssensor is deze beperking niet van toepassing op het iNow systeem. Schakelen Het systeem moet kunnen schakelen op basis van sensorinformatie. Om te schakelen wordt er gebruik gemaakt van een solid state relais. Deze wordt aangestuurd door de keuzemodule, die de sensorinformatie verwerkt en op basis daarvan beslist of er geschakeld moet worden. Keuzemodule Ter vervanging van het ZigBee centrale besturingssysteem hebben we een keuzemodule gemaakt die ook een display aanstuurt. De keuzemodule maakt op basis van de sensorinformatie een keuze over het aan- of uitschakelen van de lampen. De 8bit digitale waarde afkomstig van de energiemeting wordt gevisualiseerd op drie 7-segmentdiplays. Evaluatie van het BAP We hebben veel geleerd van het BAP. Over het zelfstandig werken aan een project, over hoe belangrijk goede voorbereiding is en hoe prettige goede begeleiding kan zijn. Dit is belangrijke informatie die we mee zullen nemen naar onze volgende projecten. 55
56
8 Bibliografie [1] J. Webster, Electrical measurement,signal processing and displays. [2] Hoeijmakers, Elektrische Omzettingen. [3] (2011, february) Meettechniek.info. [Online]. www.meettechniek.info/stroommeting [4] Proakis & Manolakis, Digital Signal Processing. [5] [Online]. http://scipp.ucsc.edu/~haber/ph5B/] [6] [Online]. http://www.khalus.com.ua/psoc/pdf/appnotes/an2047.pdf [7] Jacob Fraden, Handbook of Modern Sensors, 3rd ed. San Diego, USA: Springer, 2003. [8] Jon.S. Wilson,.: Newnes, 2004, ch. 15, p. 345. [9] Jon.S. Wilson,.: Newnes, 2004, ch. 15, p. 340. [10] Jon.S. Wilson,.: Newnes, 2004, ch. 14, p. 319. [11] [Online]. ftp://ftp.efo.ru/pub/cypress/psoc/PSOC_APP/PIR/sensing___pyroelectric_infrared_motion_det ector__psoc_style___an2105_12.pdf [12] Wikipedia. [Online]. http://nl.wikipedia.org/wiki/Bestand:LuminosityCurve1.svg [13] wikipedia. [Online]. http://nl.wikipedia.org/wiki/Lux_%28eenheid%29 [14] [Online]. http://www.festodidactic.com/ov3/media/customers/1100/00296860001075223684.pdf [15] [Online]. http://www.ladyada.net/media/sensors/APP_PhotocellIntroduction.pdf [16] Neil Storey, "Electronics," in A systems approach, 3rd ed. Essex, Britain: Prentice Hall, 2006, p. 163. [17] [Online]. http://www.astro.rug.nl/~sctrager/teaching/observing_techniques/Detectors1.pdf [18] Jon.S. Wilson,.: Newnes, 2004, ch. 14, p. 310. [19] [Online]. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Response_silicon_photodiode.svg [20] Website van Honeywell. [Online]. http://sensing.honeywell.com/index.cfm/ci_id/141206/la_id/1/document/1/re_id/0 [21] [Online]. http://vorlon.case.edu/~flm/eecs245/Datasheets/Sharp%20photodevices.pdf
57
[22] [Online]. http://alexandria.tue.nl/extra1/afstversl/E/381161.pdf [23] (2011, February) Wikipedia, Relais. [Online]. http://nl.wikipedia.org/wiki/Relais [24] (2011, February) Wikipedia, Solid state relais. [Online]. http://nl.wikipedia.org/wiki/Solid_state_relais [25] Vacuumschmelze Current Transformers for electornic watthour meters. [Online]. http://www.vacuumschmelze.de/fileadmin/documents/broschueren/kbbrosch/Curr_Transf_ne u_engl.pdf [26] Kes Tam Texas Instruments, "Current Transformer phase shift compensation and calibration," Application report SLAA122, 2001.
58
Appendices Meetresultaten van de stroomtransformator. Variac Vrb p-p Vrs p-p Ip rms 20 40 60 80 100 120 145 155 170 180 190 210 220 230
4,08 V 8,16 V 12,2 V 16,6 V 21 V 25,2 V 30 V 32,6 V 35,6 V 37,6 V 40 V 43,8 V 46 V 48 V
0,352 V 0,744 V 1,16 V 1,5 V 1,92 V 2,4 V 2,82 V 3,02 V 3,36 V 3,52 V 3,7 V 4,12 V 4,32 V 4,56 V
0,153457 0,306914 0,458867 0,62436 0,789853 0,947824 1,128362 1,226153 1,338989 1,414214 1,504483 1,647408 1,730155 1,805379
Fasefout 100 100 80 70 64 60 50 50 50 50 40 40 40 40
Amplitude fout 0,029957 0,019915 -0,01787 0,054043 0,045957 -0,04085 -0,01149 0,031915 -0,02723 0 0,044681 -0,01957 -0,01362 -0,06638
Appendix A: Meetresultaten stroomtransformator: ;Rb = 9,4 OHm en Rs = 2,2kOhm.
Variac 30 40 50 60 70 80 90 100 120 145 155 170 180 190 210 220 230
Vrb p-p 6,4 V 8,8 V 10,8 V 12,8 V 14,8 V 17,4 V 19,2 V 21,6 V 25,6 V 31,6 V 33,6 V 37,4 V 39,6 V 41,2 V 45,4 V 47,6 V 49,8 V
Vrs p-p Ip rms Fasefout 0,28 V 0,120359 100 0,384 V 0,165493 100 0,48 V 0,203105 100 0,576 V 0,240717 100 0,672 V 0,278329 96 0,784 V 0,327225 92 0,872 V 0,361076 90 0,992 V 0,40621 88 1,19 V 0,481434 80 1,43 V 0,594271 72 1,6 V 0,631883 70 1,76 V 0,703346 68 1,84 V 0,744719 68 1,92 V 0,774808 60 2,16 V 0,853794 60 2,24 V 0,895167 60 2,36 V 0,93654 60
Appendix B: Meetresultaten stroomtransformator. Rb = 18,8 Ohm en Rs = 2,2 kOhm.
A
Flowcharts bewegingssensoren: input analoog = RB5 output digitaal = RC7 output = 1; er is beweging output = 0; er is al 2 min geen beweging Grens = 3,8V
initialisatie:
stel RA3 in als analoge input stel RC3 in als digital output stel ADC in zet ADC aan stel timer in zet timer aan
start conversie stel in GODONE = 1;
nee GODONE = 0 ja
schrijf ADC output naar input input = ADRESH;
nee
nee
input > Grens
tellen > 2min ja
ja er is beweging: reset timer & tellen; output = 1;
er al 2 min geen is beweging: output = 0;
Appendix C: Flowchart voor de bewegingsmeldersoftware.
B
lichtsensoren: input analoog = RB4 output digitaal = RC6 output = 1; het is donker output = 0; het is licht Gaan = 3,5V Guit = 2,7V
initialisatie: stel RA2 in als analoge input stel RC2 in als digital output stel ADC in zet ADC aan wacht
start conversie stel in GODONE = 1;
nee GODONE = 0 ja
schrijf ADC output naar input input = ADRESH;
nee
nee
input > Gaan
input < Guit
ja
ja
het is donker: output = 1;
het is licht: output = 0;
Appendix D: Flowchart voor de lichtsensorsoftware.
C
Software //software voor de gecombineerde sensormodule #include "init.h" #include
#include "delay.c" //sensor module int cnt524ms = 0; void ChangeInput(int input) // veranderen van analoge ingang van de ADC { if (input == 1) //instellingen voor de bewegingssensor : RB5 = input ADC { ADCON0 = 0b00101100; // 0b0-------; // ADFM left justified // 0b-0------; // VCFG voltage reference pin = Vdd // 0b--1011--; // CHSbits input adc is RB5 // 0b------x-; // GODONE 0 = ad conversion complete not bussy, 1 = ad conversion = in progress bussy. // 0b-------x; // ADON 1 = adc enable, 0 = adc disable ADCON1 //
= 0b00010000; // select right Tad for 4MHz 0b-xxx----; // ADCSbits ad clock selection bits001 =
Fosc/b ADON = 1; DelayUs(10); GODONE = 1; } if (input == 2) //instellingen voor de lichtsensor : RB4 = input ADC { ADCON0 = 0b00101000; // 0b0-------; // ADFM left justified // 0b-0------; // VCFG voltage reference pin = Vdd // 0b--1010--; // CHSbits input ADC is AN10 = RB4 // 0b------x-; // GODONE 0 = ad conversion complete not bussy, 1 = ad conversion = in progress bussy. // 0b-------x; // ADON 1 = ADC enable, 0 = ADC disable ADCON1 //
= 0b00010000; // select right Tad for 4MHz 0b-xxx----; // ADCSbits ad clock selection bits 001
= Fosc/b ADON = 1; DelayUs(10); GODONE = 1; } } void main(void) { init();
// Function call inserted by C-Wiz
OPTION = 0b10000000; // firste bit 1 = PORTA/PORTB pul-ups are disabled // setting port a, b, c als input or output TRISA = 0b00011100; // x, x, RA5, RA4, RA3, RA2, RA1 //always RA3 input only
D
TRISB = 0b11110000; // RB7, RB6, RB5, RB4, x, x, x, x TRISC = 0b00000000; // 0 = output // setting ports as analog ANSEL = 0b00000000; // select RC3, RC2, RC1, RC0, RA0, RA1, RA2, RA4 1 = as analoog ANSELH = 0b00001100; // select x, x, x, x, RB5, RB4, RC7, RC6, as analoog = 1 //Timer1 settings T1CON = 0b00111001; // 0b0xxxxxxx; // T1GINV timer1 gate is active low // 0bx0xxxxxx; // TMR1GE timer1 is always counting // 0bxx11xxxx; // T1CLPS prescaler 11 = 1:8 // 0bxxxx1xxx; // T1OSCEN LP osc is enabled // 0bxxxxx0xx; // T1SYNC bit is ignored // 0bxxxxxx0x; // TMR1CS clock source 0= internal clock // 0bxxxxxxx1; // TMR1ON enables timer1 TMR1H = 0b00000000; TMR1L = 0b00000000; TMR1IF = 0; // interupt settings TMR1IE = 1; //timer 1 interrupt PEIE = 1; GIE = 1; PIE1 = 1; //enables interrupts ei(); // variabelen voor de bewergingssensor char uitkomstB; char BewegingGrens = 0b11000010; // char BewegingGrensT = 0b00000111; // grens value for 2 min counter //variabelen voor de lichtssensor char uitkomstL; char GaanL = 0b10110110; char GuitL = 0b10001010; //algemene variabelen RC0 = 0; while (1) { if (RC0 == 1) { //ADC input instellen voor bewegingssensor ChangeInput(1); } while (RC0 == 1) { //bewegingssensor input = RB5, output = RC7 if (GODONE == 0) { // als conversie klaar is: uitkomstB = ADRESH; if (uitkomstB > BewegingGrens) { //Er is beweging TMR1H = 0; TMR1L = 0; cnt524ms = 0; RC7 = 1; }
E
if (uitkomstB < BewegingGrens && cnt524ms > BewegingGrensT) { //Er is geen beweging en 2 min is verlopen RC7 = 0; } RC0 = 0; } } if(RC0 == 0) { //ADC input instellen voor lichtsensor ChangeInput(2); } while (RC0 == 0) { //lichtsensor input = RB4 OUTPUT = RC6 if (GODONE == 0 ) { uitkomstL = ADRESH; if (uitkomstL > GaanL) // het is donker { RC6 = 1; } if (uitkomstL < GuitL) // het is licht { RC6 = 0; } RC0 = 1; } } } } void interrupt my_isr(void) { if (TMR1IF) { cnt524ms++; TMR1IF = 0; } } Appendix E: Software voor de gecombineerde sensormodule.
//software voor de aansturing van het display #include "init.h" #include #include "delay.c" int counter = 0; int smallCounter = 0; int display = 0; int sRA2 = 0; int sRB6 = 0; int sRB7 = 0; unsigned char sPORTC; int ABC = 0; const char digits[10]= { // 0b.gfedcba
F
0b00111111, 0b00000110, 0b01011011, 0b01001111, 0b01100110, 0b01101101, 0b01111101, 0b00000111, 0b01111111, 0b01101111 };
//0 //1 //2 //3 //4 //5 //6 //7 //8 //9
void main(void) { init(); // Function call inserted by C-Wiz TRISC = 0b00000000; //0 = output TRISA = 0b00000000; //0 = output // setting ports as analog ANSEL = 0b00000000; // select RC3, RC2, RC1, RC0, RA0, RA1, RA2, RA4. 1 = as analoog ANSELH = 0b00000000; // select x, x, x, x, RB5, RB4, RC7, RC6. 1 = as analoog //Timer1 settings T1CON = 0b00111000; //timer 1 staat nu uit///////////////////////////////////// // 0b0xxxxxxx; T1GINV low // 0bx0xxxxxx; TMR1GE counting // 0bxx11xxxx; T1CLPS // 0bxxxx1xxx; T1OSCEN // 0bxxxxx0xx; T1SYNC // 0bxxxxxx0x; TMR1CS internal clock // 0bxxxxxxx1; TMR1ON TMR1H = 0b00000000; TMR1L = 0b00000000; TMR1IF = 0;
timer1 gate is active timer1 is always prescaler 11 = 1:8 LP osc is enabled bit is ignored clock source 0= 1 enables timer1
//timer 0 settings OPTION = 0b11000000; TMR0 = 0b00000000; T0IF = 0; // interupt settings T0IE = 1; //timer0 interrupt TMR1IE = 1; //timer 1 interrupt PEIE = 1; GIE = 1; PIE1 = 1; ei(); while ( 1 ) { PORTC RA2 = RB6 = RB7 =
//enables interrupts
= sPORTC; sRA2; sRB6; sRB7;
G
} } void interrupt my_isr(void) { int A = (ABC - ABC%100)/100; int BC = ABC - A*100; int B = (BC - BC%10)/10; int C = BC - B*10; //the counter value is incremented in the interrupt caused by timer 1 if (T0IF) { if (display == 3) { display = 0; } if (display == 0) { sPORTC = digits[A]; sRA2 = 1; sRB6 = 0; sRB7 = 0; } if (display == 1) { sPORTC = digits[B]; sRA2 = 0; sRB6 = 1; sRB7 = 0; } if (display == 2) { sPORTC = digits[C]; sRA2 = 0; sRB6 = 0; sRB7 = 1; } TMR1IF = 0; T0IF = 0; display++; } } Appendix F: Software voor de aansturing van het display.
//software voor de energiemeting #include "init.h" // included by C-Wiz #include #define FOSC 4000000L // Delay Function #define _delay_us(x) { unsigned char us; \ us = (x)/(12000000/FOSC)|1; \ while(--us != 0) continue; } void _delay_ms(unsigned int ms) { unsigned char i; do { i = 4; do {
H
_delay_us(164); } while(--i); } while(--ms); } void ChangeInput(int input) // veranderen van analoge ingang van de ADC { if (input == 1) //instellingen voor spanningssample : Input ADC = RA0 (AN0) { ADCON0 = 0b10000000; // right justified, ch AN0 (spanning) geselecteerd voor conversie ADON = 1; _delay_us(15); GODONE = 1; } if (input == 2) //instellingen voor stroomsample: Input ADC = RA1 (AN1) { ADCON0 = 0b10000100; als input voor conversie ADCON1 = 0b00010000; Fosc/8 ADON = 1; _delay_us(15); GODONE = 1; } } int counter; int sample_period; int sum; int Pav; int Vav; int Iav;
// select ch AN1 (stroom) // stel ADC clock in op
int Vsample; void main(void) { init();
// Function call inserted by C-Wiz
int spanning_sample; int stroom_sample; int Isample; int Psample; TRISB = 0; // PORTB ingesteld als output TRISC = 0; // PORTC ingesteld als output TRISA0 = 1; // PORTA0 t/m A2 ingesteld als input, RA0 = AN0 en RA1 = AN1 TRISA1 = 1; TRISA2 = 1; //TRISA4 = 1; //TRISB6 = 1; //RB6 als input instellen ANS0 = 1; ANS1 = 1; OPTION = 0b00000001; // timer 0 instellen, prescaler 1:4 , internal clock, periode = 1.023 ms (4 x 256 us)
I
T0IE = 1; // Timer0 inetrrupt enable GIE = 1; // Global interrupt enable sum = 0; PORTC = 0b00000000; PORTB = 0b00000000; TMR0 = 0b00000000; sample_period = 1; while (1) { while(sample_period) { ChangeInput(1); while(GODONE) continue; // wacht tot conversie is beeindigd spanning_sample = ADRESL; spanning_sample += (ADRESH<<8); Vav += spanning_sample; ChangeInput(2); while (GODONE) continue;// wacht tot conversie is beeindigd stroom_sample = ADRESL; stroom_sample += (ADRESH<<8); Iav += stroom_sample; sample_period = 0; } } } void interrupt Timer0(void) { //**** Timer 0 Code **** if((T0IE)&&(T0IF)) { if (counter <40) { sample_period = 1; } if (counter == 10000) { Vav = Vav/40; PORTC = Vav; PORTB = (Vav>>2); Vav = 0; } if (counter == 15000) { Iav = Iav/40; PORTC = Iav; PORTB = (Iav>>2); Iav = 0; counter = 0; } counter++; T0IF=0; // clear event flag } } Appendix G: Software voor de energiemeting.
J
