Ομάδα: “Προσέχουμε για να Έχουμε“ (Μαθητές του Τομέα πληροφορικής του Εσπερινού ΕΠΑΛ Αλιάρτου) . Τίτλος έργου: «Σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας και ορθολογικής Διαχείρισης Φυσικών Πόρων εργαστηρίων του ΕΠΑΛ Αλιάρτου»

Στο έργο αυτό το σχολείο μας, ξεκινώντας από τον εαυτό του και τα εργαστήρια του, προσπαθεί να υλοποιήσει μία πρόταση εξοικονόμησης ενέργειας και φυσικών πόρων.Εν μέσω της τρέχουσας παγκόσμιας ενεργειακής κρίσης είναι σαφές ότι όλοι έχουν κατανοήσει ότι αυτό είναι κάτι σημαντικό και απαραίτητο.Πιο συγκεκριμένα το σύστημα μας κινείται σε δύο άξονες:

Στον πρώτο άξονα (ΜΈΡΟΣ Α) προσπαθούμε να κάνουμε προτάσεις για τον εργαστηριακό εξοπλισμό των σχολείων μας. Οι προτάσεις αυτές έχουν να κάνουν με την αντικατάσταση ενεργοβόρων συσκευών με δικές μας κατασκευές οι οποίες όμως καλύπτουν και τις εκπαιδευτικές ανάγκες χωρίς ιδιαίτερες εκπτώσεις στο εκπαιδευτικό αποτέλεσμα.Ταυτόχρονα πιστεύουμε ότι δίνονται και λύσεις σε μεγάλο αριθμό σχολείων τα οποία θα ήθελαν να είχαν εργαστηριακό εξοπλισμό αυτού του τύπου αλλά δεν έχουν τους κατάλληλους χρηματικούς πόρους
Στον δεύτερο άξονα προτείνουμε ένα σύστημα το οποίο καταγράφει τις καταναλώσεις (ΜΈΡΟΣ Β) σε δεύτερο στάδιο προσπαθεί να ελέγξει την σπατάλη ενέργειας , στις περιπτώσεις που αυτή εντοπίστηκε

ΜΈΡΟΣ Α – Εξοικονόμηση ενέργειας και πόρων από τον εργαστηριακό εξοπλισμό

ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ 1-Α1

Ηχητικό σύστημα εργαστηρίου μικρής ισχύος, με Φωτεινή ένδειξη έντασης και ρύθμιση ευαισθησίας

Πιο συγκεκριμένα οι στόχοι του συστήματος αυτού είναι οι παρακάτω:

Εξοικείωση με τον ηλεκτρονικό σχεδιασμό. Γνωριμία με τα απλά ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως ολοκληρωμένα κυκλώματα,ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές , κ.τ.λ
Γνωριμία και χρήση προγραμμάτων Ανοικτού κώδικα για την παραγωγή PCB
Απόκτηση πρακτικών δεξιοτήτων στη συναρμολόγηση και επιδιόρθωση ηλεκτρονικών πλακετών….
Επαναχρησιμοποίηση παλιών εξαρτημάτων , όπως ηχεία ενισχυτές , κ.τ.λ
Κατασκευή ηχητικού συστήματος ελάχιστης ενέργειας. Αντικατάσταση αντίστοιχων ενεργοβόρων συσκευών
Ενσωμάτωση σε σύστημα TTS (Text to Speech) ομιλίας , που θα χρησιμοποιηθεί για αναγγελίες , ειδοποιήσεις, συναγερμούς κ.τ.λ Παράδειγμα της χρήσης του παρουσιάζεται στο παρακάτω βίντεο, όπoυ με την χρήση προγραμματισμού σε python και χρήση online υπηρεσιών TTS, δοκιμάζουμε την κατασκευή μας.

Δημιουργία Ηχητικών Αναγγελιών με Python

ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ 2-Α2

Κατασκευή εργαστηριακής γεννήτριας συχνοτήτων

Ειδικότερα ,σκοπός της κατασκευής ήταν να αποκτήσει το εργαστήριό μία γεννήτρια συχνοτήτων που είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την εκπαιδευτική διαδικασία, Εξοικονομώντας ταυτόχρονα ενέργεια και χρηματικούς πόρους.

Πολλά Σχολικά Εργαστήρια δεν έχουν Γεννήτρια Συχνοτήτων
Κατασκευή απλής Γεννήτριας (ελάχιστης ενέργειας) για χρήση στο εργαστήριο
Εξοικονόμηση Ενέργειας και χρημάτων
Αντικατάσταση αντίστοιχων ενεργοβόρων συσκευών
Απόκτηση πρακτικών δεξιοτήτων στη συναρμολόγηση ηλεκτρονικών

Η δοκιμή της γεννήτριας, εκτός του ότι ήταν επιτυχημένη, έδειξε αμέσως την χρησιμότητα της καθώς και την αναγκαιότητα να υπάρχει σε ένα εργαστήριο..
Οι δοκιμές που κάναμε και φαίνοντται στα παρακάτω βίντεο σίγουρα μπορούν από μόνες τους να αποτελέσουν την βάση για αρκετά σχέδια μαθήματος…

ΗΜΙΤΟΝΟΕΙΔΕΣ σήμα-Έξοδος σε ΗΧΕΙΟ και Παλμογράφο

ΤΡΙΓΩΝΙΚΟ σήμα-Έξοδος σε ΗΧΕΙΟ και Παλμογράφο

ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ 3-Α3

Κατασκευή εργαστηριακού Παλμογράφου με Raspberry Pi Pico

ΜΈΡΟΣ Β- Εξοικονόμηση ενέργειας από την διαχείριση καταναλώσεων

Δομή του συστήματος

Το σύστημα διαχείρισης καταγραφής και διαχείρισης φυσικών πόρων αποτελείται από τα παρακάτω:

1- Διακομιστής (server) καταγραφής και ελέγχου

Στην καρδιά του συστήματος βρίσκεται ένας server, ο οποίος αναλαμβάνει τη συλλογή των μετρήσεων από τις συσκευές και του ελέγχου προς τις συσκευές. Επιμέρους στοιχεία και προδιαγραφές είναι οι εξής

Από πλευράς υλικού ο server αυτός μπορεί να είναι είτε κάποιος “κλασικός” υπολογιστής είτε κάποιος single board computer
Από πλευράς λογισμικού χρειάζεται :
1. 1. 1. να έχει λειτουργικό κάποια διανομή Linux .
    2. να γίνει η εγκατάσταση του Ανοικτού λογισμικού HOME ASSISTANT.
    3. Κάποιο λογισμικό MQTT server
    4. Να συνδέεται στο τοπικό δίκτυο

(Στην περίπτωσή μας Επιλέξαμε με ένα Raspberry Pi 400 το οποίο είναι αρκετό για τις ανάγκες μας.) Στον server αυτό γίνεται η εγκατάσταση του Ανοικτού λογισμικού home assistant. Ο σκοπός του λογισμικού αυτού καθώς και η δυναμικότητα του βρίσκονται στο γεγονός ότι μπορεί να επικοινωνεί με πληθώρα αισθητήρων και συσκευών.

2-Περιφερειακές “συσκευές/αισθητήρες”

Περιφερειακά από τον server και το λογισμικό home assistant βρίσκονται οι διαφορές “συσκευές/αισθητήρες”. Οι συσκευές αυτές μπορεί να είναι :

είτε εμπορικού τύπου
είτε ιδιοκατασκευές (custom).

Επίσης ποικιλία υπάρχει και στις μεθόδους επικοινωνίας.

Επικοινωνία μπορεί να είναι μέσω Διαδικτύου-Internet (αν η εμπορική συσκευή διαθέτει κάποιο τέτοια cloud-based επικοινωνία και διαχείριση).
Επίσης ,και το οποίο είναι προτιμότερο και επιθυμητό, επικοινωνία που να γίνονται σε επίπεδο τοπικού δικτύου. Φυσικά αυτό είναι προτιμότερο για θέματα ασφάλειας καθώς και ταχύτητας απόκρισης.

3-Προγραμματισμός περιφερειακών “συσκευών/αισθητήρων”

Φυσικά για τις τοπικές συσκευές/αισθητήρες θα πρέπει να υπάρξει κάποιος προγραμματισμός έτσι ώστε να εκτελούν την δουλειά για τις οποίες τις προορίζουμε. Υπάρχουν πολλές επιλογές για το σκοπό αυτό. Παρακάτω παραθέτουμε τις σημαντικότερες από αυτές:

Σε εμπορικές συσκευές εμπορικού τύπου χρησιμοποιούμε το interface που παρέχεται για να προγραμματίσουμε τη συσκευή
Αν η συσκευή είναι εμπορικου τύπου , αλλά ανοικτών προτύπων, μπορούμε να αλλάξουμε το λογισμικό της σε κάποιο ανοιχτό λογισμικό και να την προγραμματίσουμε όπως εμείς θέλουμε.
Σε περίπτωση ιδιοκατασκευής ανάλογα τον μικροελεγκτή που χρησιμοποιούμε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις παρακάτω επιλογές
- - 1. να προγραμματίσουμε σε χαμηλό επίπεδο και σε μία από τις γλώσσες που υποστηρίζονται και στο περιβάλλον με το οποίο συνεργάζεται ο επεξεργαστής.
    2. να χρησιμοποιήσουμε κάποιο υλικολογισμικό (firmware ) ανοιχτού κώδικα το οποίο μπορεί να παρέχει τη λειτουργικότητα που θέλουμε με ελάχιστο προγραμματισμό ή μόνο με διαμόρφωση

4-Επικοινωνία περιφερειακών “συσκευών/αισθητήρων” με home assistant

Για να επιτευχθεί η ολοκλήρωση του συστήματος θα πρέπει οι περιφερειακές συσκευές να επικοινωνούν με το home assistant που τρέχει στον server. Από την πλευρά του ο home assistant παρέχει τα λεγόμενα integrations τα οποία είναι στοιχεία λογισμικού κατάλληλα για κάθε συσκευή ανάλογα με τον τρόπο επικοινωνίας (ή με την εταιρεία). Επίσης υπάρχει η δυνατότητα να γράψουμε τα δικά μας integration , η πρόγραμμα σε Python για να επιτύχουμε την επικοινωνία αυτή.

Τρέχουσα υλοποίηση του συστήματος

Στην περίπτωση του συστήματος μας εκμεταλλευτήκαμε και τις δύο δυνατότητες παραπάνω δυνατότητες που μας δίνει ο home assistant. Πιο συγκεκριμένα :

στην περίπτωση του νερού επιλέξαμε τη δημιουργία μιας ιδιοκατασκευής (ενός custom συστήματος ) για να ελέγχουμε το πότισμα τον χώρο πρασίνου του σχολείου.
Στην περίπτωση της ενέργειας επιλέξαμε κάποιες εμπορικές συσκευές πού όμως βασίζονται σε ανοικτά πρότυπα τα οποία δίνουν τη δυνατότητα επικοινωνίας με όποιο σύστημα θέλουμε. Επίσης λόγω του παραπάνω η κοινότητα έχει ασχοληθεί με αυτές και έχει δημιουργήσει πολλαπλές λύσεις ανοιχτού κώδικα που αυξάνουν τη λειτουργικότητα των συσκευών αυτών.

Και στις δύο περιπτώσεις επιλέξαμε να αντικαταστήσουμε tο λογισμικό της συσκευής με το υλικολογισμικό (Firmware) tasmota .Το λογισμικό αυτό είναι ανοιχτού κώδικα, μπορεί να συνεργαστεί με μικροελεγκτές ESP8266 και ESP32 και είναι ευρέως αποδεκτό από την κοινότητα καθώς και εξελίσσεται συνεχώς. Παραδείγματα προγραμματισμού καθώς και της διαδικασίας περάσματος του firmware στη συσκευή φαίνεται στο παρακάτω βίντεο.Πιο συγκεκριμένα υλοποιήσαμε τα παρακάτω

Ελεγκτής νερού

ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ 4-Β1

Κεντρικοποιημένο Σύστημα Διαχείρισης νερού ποτίσματος των χώρων πρασίνου του Σχολείου

Ο ελεγκτής νερού δίνει τη δυνατότητα να ποτίζουμε από απόσταση και σύμφωνα με τον προγραμματισμό μας τους χώρους πρασίνου του σχολείου όπως γλάστρες και παρτέρια. O ελεγκτής νερού έχει τα εξής χαρακτηριστικά:

στηρίζεται σε έναν επεξεργαστή esp-01.
Ελεγκτής αυτός ενσωματώνεται σε ένα module με ρελέ αυτόματο διακόπτη, τον οποίο και μπορεί και ελέγχει
μικρή αντλία νερού η οποία ελέγχεται από τον παραπάνω διακόπτη όταν εμείς επιθυμούμε
φωτοβολταϊκό σύστημα , το οποίο παρέχει ενεργειακή αυτονομία στα παραπάνω αποτελούμενο από :
1. φωτοβολταϊκό πάνελ
2. ελεγκτή φόρτισης
3. και μπαταρία

Ελεγκτής ηλεκτρικών φορτίων

ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ 5-Β2

Καταγραφή και Παρακολούθηση/Έλεγχος Φορτίων

Για παράδειγμα πρίζες οι οποίες επικοινωνούν μέσω wifi δίνοντας δυνατότητα επικοινωνίες με το home assistant καταγραφής των καταναλώσεων ενέργειας καθώς και τη δυνατότητα ελέγχου on-off δηλαδή άνοιγμα και κλείσιμο της συσκευής όταν εμείς το επιθυμούμε.O ελεγκτής ηλεκτρικών φορτίων έχει τα εξής χαρακτηριστικά:

στηρίζεται σε πρίζα ελεγχόμενη από WiFi
η συσκευή είναι ανοιχτών προτύπων δίνοντας τη δυνατότητα να ενσωματωθεί σε συστήματα ανοιχτού κώδικα
δυνατότητα να περάσουμε εμείς το δικό μας λογισμικό έτσι ώστε να έχουμε τον πλήρη τον πλήρη έλεγχο
έλεγχος on-off του φορτίου
καταγραφής των καταναλώσεων ενέργειας

Εσπερινό ΕΠΑΛ Αλιάρτου : “Εξοικονόμηση ενέργειας στα εργαστήρια του Σχολείου”