XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Умная розетка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Астраков М.А. 1

---

1МБОУ Гимназия №3 г. Иркутска

Павловская Т.А. 1

---

1МБОУ Гимназия №3 г. Иркутска

Работа в формате PDF

7.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Нерациональное потребление энергоресурсов приводит к негативным последствиям и для энергопотребителей и для природной среды. Ведь стоимость электроэнергии напрямую связана со стоимостью топлива, запасы которого ограничены, и цены на которое постоянно растут.

Достаточно постоять перед счетчиком электроэнергии и понаблюдать, как он неотвратимо отсчитывает киловатты (копейки, рубли и сотни). Несколько минут медитации - и, возможно, захочется разбить стекло и открутить счетчик в обратную сторону. Для того чтобы не переплачивать за электроэнергию, не перегружать электростанции и электроснабжающие сети следует рационально и оптимально настроить систему потребления, что приведет к хорошей экономии электроэнергии в квартире, доме и т.д.

Меня же заставил обратить внимание на данную проблему тот факт, что нередко в моей семье и семьях моих друзей и родственников забывается или же просто иногда не считается нужным отключить электроприборы перед выходом из дома. Нередко случаются ситуация, когда где-то на половине пути на работу родители вспоминают, что не выключили утюг. А чем это может закончиться и сколько набежало на счетчике, выясняется только к моменту очередного платежа за электроэнергию. Как быть в таких ситуациях? Как дистанционно проконтролировать все работающие электроприборы и при необходимости отключить их?

Мы живем в информатизированном обществе, полном различными компьютерными технологиями. Сейчас это уже неотъемлемая часть нашей жизни. Предметом моих исследований является информатизация своей деятельности, энергосбережение, воспитание в себе экологического и природоохранного взгляда. Именно этой проблеме посвящена моя работа.

Гипотеза: Возможно, функции управления энергосбережением можно доверить специальным автоматическим приборам, работающим по заданным алгоритмам.

Цель: Создание электроприбора, который обеспечит управление электрической энергией на основе дистанционных технологий передачи данных.

Задачи:

1. Изучить источники электрической энергии.

2. Изучить распределение энергии между потребителями.

3. Спроектировать прибор для управления электроэнергией.

4. Разработать алгоритм и программу для удаленного управления прибором.

Средства:

1. Информационные источники (литература, СМИ, интернет)

2. Обработка полученных данных.

3. Исследование.

Сроки реализации проекта: с сентября 2019 года по настоящее время (проект долгосрочный).

ГЛАВА I. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

В современном мире одним из самых востребованных видов энергии является электричество. Его можно передавать на большие расстояния с помощью проводов и преобразовывать во многие другие виды энергии, такие как свет электрической лампочки и вращение ротора электромотора. К тому же этим видом энергии легко управлять. Мы можем включать и выключать подачу электроэнергии или увеличивать и уменьшать ее с помощью соответствующих регуляторов. Для начала разберемся, что же такое электрический ток и как он попадает в наш дом [1].

1.1 Что такое электрический ток?

Под электрическим током понимается поток с отрицательным зарядом, т.е. поток электронов. У металлов их особенно много, поэтому ток проходит по ним особенно хорошо. Металлы - хорошие проводники. Другие вещества, например воздух или газ, наоборот, плохо проводят электричество. Для того чтобы удержать электроны в движении, чтобы они, например, заставили загореться лампочку, требуется источник питания. Им может быть, например, батарея. У нее есть положительный (+) и отрицательный (-) полюса. На отрицательном полюсе находится много электронов, на положительном - мало. Поток электронов от отрицательного полюса к положительному и есть электричество. Его силу измеряют в амперах (А). Ток бежит тем сильнее, чем больше разница в зарядах между полюсами. Эту разницу называют электрическим напряжением. Ее измеряют в вольтах (В) [2].

1.2 Распределение электроэнергии между потребителями

Преобразование энергии различных видов в электрическую энергию происходит на электростанциях [3].

Топливом для электрических станций служат природные богатства – уголь, торф, вода, ветер, солнце, атомная энергия и др.

Потребители электрической энергии – промышленность, строительство, электрифицированный транспорт, сельское хозяйство, потребители быта и сферы обслуживания в городах и сельской местности.

Центры потребления электроэнергии, как правило, удалены от её источников, зачастую на расстояния в сотни и даже тысячи километров и распределены на значительной территории. В связи с этим возникает задача транспортирования электроэнергии от станций к потребителям. Эту задачу решают электрические сети, состоящие из линий электропередачи и подстанций. Совокупность электрической части электростанций, электрических сетей и потребителей электроэнергии, а также центров управления, регулирования и защиты, объединённых в одно целое общностью режима и непрерывностью (одновременностью) процессов производства, передачи и потребления электрической энергии называется электроэнергетической системой.

Передача и распределение электрической энергии от энергосистемы происходит по следующей схеме (рисунок 1):

На тепловых и гидроэлектростанциях электроэнергия вырабатывается генераторами напряжением от 3 до 24 кВ, в зависимости от мощности генераторов.

Рис.1 Распределение электроэнергии между потребителями https://studopedia.net/ /14.11.2019

Для передачи выработанной электроэнергии от электростанции к потребителю на большие расстояния, в целях уменьшения ее потерь и экономии материалов на изготовление проводов генераторное напряжение повышают до напряжения 110-1000 кВ. Электроэнергия, вырабатываемая генератором, отводится к повышающему трансформатору по массивным жестким медным или алюминиевым проводникам, называемым шинами.

Для передачи электроэнергии на расстояние используются воздушные и кабельные линии электропередачи, которые вместе с электрическими подстанциями образуют электросети.

По линиям электропередач электроэнергия поступает в трансформатор, установленный на понизительной трансформаторной подстанции, расположенной в районе использования электроэнергии. Здесь напряжение снижается до 6-35 кВ и по электрическим сетям распределяется по трансформаторным подстанциям (ТП), находящимся в непосредственной близости с потребителем, на расстоянии не более 1 км. 

Трансформаторная подстанция представляет собой устройство, состоящее из силового понизительного трансформатора и распределительных устройств напряжением 6-10 кВ и 0,4 кВ. В трансформаторе трансформаторной подстанции напряжение понижается до 0,4 кВ. Затем по наружным электрическим сетям энергия поступает непосредственно к потребителям[7].

1.3 Виды электростанций

В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции могут быть разделены на следующие основные типы: тепловые, атомные, гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие, газотурбинные, а также маломощные электрические станции местного значения – ветряные, солнечные, геотермальные, морских приливов и отливов, дизельные и др.[3].

Тепловая электростанция. «Движущая сила» тепловой электростанции (Рис 1.1) - тепловой пар. Именно он вращает колесо турбины и насаженный на ее ось генератор. Получают пар в котельных агрегатах, в которых сжигается топливо. Из котла пар направляют в пароперегреватель и доводят до температуры 650⁰ С и давление 10 атм. Этот так называемый острый пар и поступает в турбину. Затем пар попадает в теплообменник, где нагревает воду. Ее подают в жилые дома и на предприятия. Мощность теплоэлектростанций сегодня достигает сотен мегаватт (миллионы ватт). В нашей стране от них поступает к потребителям наибольшая часть получаемой электроэнергии.

Рис.1.1 Тепловые электростанции (https://electric-220.ru/news/22.11.2019)

Атомные электростанции. От обычной тепловой электростанции атомная отличается, прежде всего, видом топлива. Атомная электростанция использует не уголь, нефть или газ, при сгорании которых энергия химических связей превращается в тепло, а ядра тяжелых элементов - урана и плутония [4].

Гидроэлектростанции.Около 23% электроэнергии во всем мире вырабатывают ГЭС (рис 1.2). Они преобразуют кинетическую энергию падающей воды в механическую энергию вращения турбины, а турбина приводит во вращение электромашинный генератор тока.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) оборудуются агрегатами (гидравлическими и электрическими машинами), которые по своей конструкции способны работать как в турбинном, так и в насосном режиме. В часы малых нагрузок ГАЭС, потребляя электроэнергию, перекачивает воду из низового водоема в верховой, а в часы повышенных нагрузок в энергосистеме использует запасенную воду для выработки пиковой энергии. Время пуска и смены режимов составляет несколько минут.

Солнечные электростанции. Солнечная энергия преобразуется непосредственно в электроэнергию полупроводниковыми фотоэлектрическими генераторами тока, но капитальные затраты на эти преобразователи и их установку таковы, что стоимость установленной мощности оказывается в несколько раз выше, чем на ТЭС.

Рис.1.2 Гидроэлектростанция(https://electric-220.ru//22.11.2019)

Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может привести к изменению климата 

Ветровые электростанции. Ветровые электростанции (рис. 1.4) окупаются только при условии, что скорость ветра больше 19 км/ч, а ветры дуют более или менее постоянно.

Геотермальные электростанции — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров)

Все российские геотермальные электростанции расположены на Камчатке и Курилах[2].

1.4 Энергосбережение

В разговоре об энергетике невозможно обойти такую сверхактуальную тему, как энергосбережение. До начала 1970-х гг. производители придерживались концепции безудержного расширения, измеряя свои успехи ростом количества проданной энергии. Но после того, как стало выясняться, чего стоит этот рост природе и человеческому здоровью, законодатели во многих странах начали обязывать потребителей и производителей электричества принимать меры по повышению эффективности использования энергии. Экономисты доказали, что сэкономленная энергия дешевле вновь созданной [3].

Энергосбережение в быту зависит от потребителя. Население на бытовом уровне может поддержать энергосбережение и заняться повышением энергоэффективности в рамках отдельно взятой квартиры или дома. К сожалению, бережливость не является характерной чертой большинства жителей. Культура потребления энергии у населения весьма низка [4].

Экономить электроэнергию можно по разному: выключать электроприборы, которые не используются, выключать свет выходя из комнаты, приобретать электроприборы только класса А, заменить обычные лампочки на энергосбергающие и т.д. Но практически все эти советы создают некие неудобства, ограничивают нас и делают нашу жизнь более сложной.

В практической части работы будет создано электроутройство, которое обеспечит дистанционное управление электрической энергией, благодаря чему можно будет контролировать подачу электроэнергии на конкретном устройстве и тем самым обеспечивать ее экономию.

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ УСТРОЙСТВА «УМНАЯ РОЗЕТКА»

Для создания модели устройства, оснащенного дистанционным управлением, были поставленыследующие цели:

Изучить основы языка программирования Си.

Изучить основы построения электронных устройств на базе контроллера Arduino.

Освоить программу 3D моделирования и печати.

Создать модель устройства.

Для начала мною было определено, что «Умная розетка»- это электрическая розетка-накладка, которая будет посредником между электроприбором и стандартной розеткой, со способностью включаться и выключаться по команде со смартфона с помощью приложения Bluetooth-терминал, тем самым, позволяя автоматизировать любой включенный в нее электроприбор.

Ход работы:

Для создания беспроводного устройства в качестве приемника команд я использовал Bluetoothмодуль HC06(рисунок 2.1)Все существующие типы модулей Bluetooth имеют свои особенности, но по функциям и действию они похожи. Одним из видов модулей является Bluetooth HC 06.

Рис 2.1 Bluetooth модуль HC06 (https://arduinomaster.ru/10.11.2019)

Со своей стороны Arduino модуль выглядит, как обычный последовательный интерфейс, поэтому можно сразу наладить взаимодействие с устройством на компьютере.

Основные характеристики модуля:

Питание 3,3 – 6 В;

Максимальное входное напряжение 5 В;

Максимальный ток 45 мА;

Скорость передачи данных 1200–1382400 бод;

Рабочие частоты 2,40 ГГц – 2,48ГГц;

Поддержка спецификации bluetooth версии 2.1;

Малое потребление энергии;

Высокий уровень защиты данных;

Дальность связи 30 м;

Следующим шагом было подключения модуля к смартфону, где использовались следующие данные – пароль «1234» для подключения, скорость передачи данных 9600, имя модуля HС-06.

Для подключения к контроллеру Arduino использовал интерфейс, представленный на рисунке 2.2.

Рисунок. 2.2 Интерфейс для подключения к Arduino (https://arduinomaster.ru/05/11/2019)

Подключение Bluetooth модуля к Arduino происходило по схеме представленной на рисунке 2.3.

Рис. 2.3 Схема подключения Bluetooth модуля к Arduino (https://www.aranacorp.com/10.11.2019)

После электрического соединения осуществлялась разработка программы в среде Arduino на языке программирования Си (См. приложение 1).

Среда разработки Arduino (рис. 2.4) состоит из встроенного текстового редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста (консоли), панели инструментов с кнопками часто используемых команд и нескольких меню. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч. Скетч пишется в текстовом редакторе, имеющем инструменты вырезки/вставки, поиска/замены текста. Во время сохранения и экспорта проекта в области сообщений появляются пояснения, также могут отображаться возникшие ошибки. Окно вывода текста (консоль) показывает сообщения Arduino, включающие полные отчеты об ошибках и другую информацию. Кнопки панели инструментов позволяют проверить и записать программу, создать, открыть и сохранить скетч, открыть мониторинг последовательной шины.

Рис 2.4 Вид экранной формы среды Arduino c исходным кодом программы.

В качестве исполнительного механизма – управление высоковольтной нагрузкой используется Реле RUICHI (Рис 2.5).

Рис.2.5 Реле RUICHI (https://elecomp.ru/product/63695/15.02.2020)

Особенности реле:

Очень малые размеры: 20 мм *15мм *12мм.

Высокая чувствительность: 200 мВт при номинальной рабочей мощности.

Позолоченные контакты для высокой надежности.

Герметизированная конструкция.

В качестве клиента управляющей розеткой используется программа bluetooth – терминал Рисунок 2.6.

Рис.2.6 Программа bluetooth- терминал

Способы подключения к устройству:

Выбрать bluetooth адрес устройству

Нажать кнопку connect

При необходимости включить розетку - пишем команду 1

При необходимости выключить - пишем команду 0

Первоначально устройство не имело корпуса, поскольку проводилось его тестирование. Для того чтобы устройство выглядело более эстетичнои было безопасным с точки зрения возможности поражения электрическим током при использовании розетки, а также пригодным для транспортировки, следующим этапом моей работы стало создание корпуса.

Для проектирования корпуса розетки использовал программу 3D моделирования Tinkercad (рис. 2.7). Печать осуществлялась на 3D-принтере марки XYZ Da Vinchi.(рис.2.8). В работе использовался пластик PLA 1,75 mm . Печать корпуса заняла 15 часов без учета моделирования.

Рис. 2.7 Программа Tinkercard с видом спроектированного корпуса для «Умной розетки»

Рисунок 2.8 3D-принтер марки XYZ Da Vinchi в работе

В результате работы собрана модель электронного устройства «Умная розетка», которая реализует первостепенно поставленные задачи. Корпус устройства создан с применением 3D- печати. Данный гаджет подключается к стандартной розетке 220 Вт и на данном этапе разработки используется для дистанционного включения и отключения бытовых электроприборов. К данной модели можно подключать электроприборы с потребляемой мощностью до 1500 Вт. Последовательность выполнения работ по созданию устройства отражена в инструкционной карте (См. Приложение 3).

В процессе создания модели электронного устройства были достигнуты поставленные цели, а именно: 1. Изучены основ языка программирования Си. 2.Изучены основы построения электронных устройств на базе контроллера Arduino. 3. Изучены основы 3D- моделирования и печати. 4. Создана модель устройства (Рисунок 2.9).

Этапы создания устройства отражены в Приложении 2.

Применение электронного устройства «Умная розетка» возможно (См. Приложение 4):

С телекоммуникационным оборудованием

С бытовыми приборами

С офисным оборудованием

Со звуковой аппаратурой.

Используя данное устройство можно легко управлять по расписанию освещением, поливом дачного участка, обогревом теплицы. Направляясь с работы можно по телефону включить бойлер или отопление дома, а по приезду хозяина уже будет ждать горячая вода и тепло в комнате. Можно также приучить себя включать через «Умную розетку» утюг, плойку и подобные устройства. Находясь вдали от дома, всегда будет возможность в онлайн режиме проверить, не забыли ли вы их выключить, уходя из дома, и при необходимости дистанционно обесточить. Также можно настроить режим работы розетки так, что когда хозяин будет покидать квартиру, она автоматически отключится, благодаря тому, что телефон пропадет из домашней сети Wi-Fi.

2.1 Экономия электроэнергии при использовании «Умной розетки»

Для доказательства того, что с помощью «Умной розетки» можно экономить электроэнергию, мною были проведены расчеты на примере работы масляного обогревателя:

Без использования устройства «Умная розетка»
Мощность масляного обогревателя 2000 Вт = 2 КВт/час

Представим, что обогреватель работает с 08:00 до 19:00 т.е. 11 часов в день.
2*11=22 - кВт э/энергии потребляет обогреватель в день.
1,11руб - стоимость 1 кВт э/энергии в г. Иркутске.
1.11*22=24.42 руб.- стоимость работы обогревателя за день.
24,42 * 30 = 732,6 рублей- стоимость работы обогревателя за месяц при 11-ти часовой работе в день.
С использованием устройства «Умная розетка»
Если использовать обогреватель не 11 часов в день, а например, уже имея возможность управлять электроприбором дистанционно, с помощью смартфона можно использовать удобный для себя вариант работы обогревателя.

Например: 07:00(вкл)-08:00(выкл)(управление с помощью смартфона)

13:00(вкл)-14:00(выкл) (управление с помощью смартфона)

18:00(вкл)-19:00(выкл) (управление с помощью смартфона)

Итого за день обогреватель будет работать всего 3 часа.

Для поддержания комфортных условий жилища варианты использования могут быть разные!

Мощность масляного обогревателя 2000 Вт = 2 КВт/час

2*3=6 кВт потребляет э/энергии обогреватель в день
1,11руб - стоимость электроэнергии в г. Иркутске
1.11*6=6,66 руб.- стоимость работы обогревателя за день
6,66 * 30 = 200 рублей - стоимость работы обогревателя за месяц при 3-х часовой работе.

В итоге получаем экономию электроэнергии при использовании «Умной розетки»- 532,6 рубля.

Рисунок 2.9 Внешний вид устройства «Умная розетка»

2.2 Перспективы развития

Чем совершеннее устройство, тем шире возможности дистанционного управления и информативности.

В настоящее время обмен данными между устройством и пользователем происходит через Bluetooth. Планируется работа устройства «Умная розетка» по средствам Wi-Fi или GPRS с добавлением модуля анализа потребленной энергии и потребляемой мощности. Так же после всех доработок планируется, что устройство позволит эффективно управлять электрооборудованием не только по нажатию кнопки, но и согласно сценариям автоматизации, например, розетка сможет подсчитать, сколько электроэнергии ежемесячно потребляет прибор, и поможет снизить плату за электричество.

Изучение программирования мобильных устройств позволит создать дружелюбный интерфейс с различным функционалом: будильник, календарь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы над проектом «Умная розетка» были изучены различные литературные источники, источники сети интернет, из которых мы узнали: 1. Под электрическим током понимается поток с отрицательным зарядом, т.е. поток электронов. 2. Преобразование энергии различных видов в электрическую энергию происходит на электростанциях.3. В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции могут быть тепловые, атомные, гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие, газотурбинные, а также маломощные электрические станции местного значения – ветряные, солнечные, геотермальные, морских приливов и отливов, дизельные. 4. Стоимость электроэнергии напрямую связана со стоимостью топлива, запасы которого ограничены, и цены на которое постоянно растут. 5. Энергосбережение в быту зависит от потребителя. 6. Население на бытовом уровне может поддерживать энергосбережение и заняться повышением энергоэффективности в рамках отдельно взятой квартиры или дома.

Так же были изучены основы языка программирования Си, освоена программа 3-D моделирования Tinkercad, изучены основы построения электронных устройств на базе контроллера Arduino, приобретены навыки пайки.

Цель работы, а именно создание электроприбора, который обеспечит управление электрической энергией на основе дистанционных технологий передачи данных – успешно достигнута.

Гипотеза, где предполагалось, что, функции управления энергосбережением можно доверить специальным автоматическим приборам, работающим по заданным алгоритмам - подтверждена.

Создан макет устройства, который оснащен дистанционным управлением, благодаря чему можно контролировать подачу электроэнергии на конкретном устройстве, обеспечивая тем самым экономию энергоресурсов.

Применение электронного устройства «Умная розетка» возможно c телекоммуникационным оборудованием, бытовыми приборами, офисным оборудованием, звуковой аппаратурой. Используя данное устройство можно легко дистанционно управлять освещением, поливом дачного участка, обогревом теплицы. Направляясь с работы можно по телефону включить бойлер, отопление дома, а по приезду хозяина уже будет ждать горячая вода и тепло в комнате. Можно также приучить себя включать/выключать через «Умную розетку» утюг, плойку и подобные устройства. Находясь вдали от дома, всегда будет возможность в онлайн режиме проверить, не забыли ли вы их выключить, уходя из дома, и при необходимости дистанционно обесточить.

В перспективе планируется создание устройства, которое позволит эффективно управлять электрооборудованием не только по нажатию кнопки, но и согласно сценариям автоматизации. Так же планируется работа розетки посредством Wi-Fi или GPRS.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Большая энциклопедия знаний/Пер. с немецкого Л.С. Беловой, Е.В. Черныш-М.: Эксмо, 2012,-344 .

Иллюстрированная энциклопедия школьника/пер. с агл. В. Чуткова, С.Бардина и др. – М.:АСТ: Астрель, 2011,-317

Экологический журнал «Волна» №3-4 (32-33) 2002/ стр.21

Экологический журнал «Волна» №1 (44) 2006 стр.36

https://rosuchebnik.ru/material/issledovatelskiy-proekt-sokhranyaem-prirodu-na-ekonomii-elektroenergii-7455/Сохраняем природу на экономии электроэнергии /15.11.2019

https://urok.1sept.ru Производство, передача и распределение электрической энергии/ Бабаина Ирина Валериевна/ 12.11.2019

https://studopedia.net/6 Распределение электроэнергии на подстанциях/16.11.2019

https://electric-220.ru/news/teplovye_ehlektrostancii/2019-04-05-1672/22.11.2019

https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/arduino-bluetooth-hc05-hc06/10.11.2019

https://www.aranacorp.com/10.11.2019

https://elecomp.ru/product/63695/15.02.2020

Приложение 1.

Программа модуля Аrduino

int val;// Переменная хранящая состояние розетки.

int rel=10; Вывод управление реле

void setup() { Функции настройки

Serial.begin(9600); Скорость обмена данными бод

pinMode(rel,OUTPUT);Вывод 10, как выход

digitalWrite(rel,LOW); Розеткавыключена.

}

void loop() { основная программа

if (Serial.available()){ если доступно соединение

val=Serial.read(); прочитать команду в переменную

if(val=='1'){ если команда 1 включить розетку

digitalWrite(rel,HIGH);

}

if(val=='0') {//товыключитьрозетку

digitalWrite(rel,LOW);

}}}

Приложение 2.

Этапы создания «Умной розетки»

«Умная розетка»

Этап 2

1.Продумывание правильного расположения деталей

2.Спаивание деталей с платой.

Этап 1

1.Приобретение нужных деталей для розетки.

2.Изучение их работы и строение.

Этап 3

Изучение основ программирования.

Создание программы для модуля «Arduino»

Приложение 4.

Применение электронного устройства «Умная розетка»

Приложение 3

Инструкционная карта