Ofis aydınlatma sistemlerinde akıllı telefon ile ölçüm ve BP-BÇ tabanlı optimal kontrol yöntemi

Enerji talebinin hızla artması, günümüzün en önemli enerji kaynağı olan fosil yakıtların her geçen gün tükenmeye daha da yaklaşması, enerji üretimi ve tüketim süreçlerinde doğaya verilen zararlar alternatif enerji kaynak arayışlarını ve enerjinin verimli kullanılması konusunu dünya genelinde en önemli gündem maddelerinden biri haline getirmiştir. Modern yaşamın bir enerji krizi ile durma noktasına gelmesinin önüne geçilebilmesi ve artan enerji talebinin karşılanabilmesi için yeni çözümlerin üretilmesi gereği doğmuştur. Ofis aydınlatma sistemlerinde kontrol yöntemlerinin kullanılmasıyla aydınlatma harcamaları üzerinden yaklaşık %30 enerji tasarrufu sağlandığı bilinmektedir. Aydınlatma kontrol stratejileri anahtarlamalı kontrol ve loşlaştırmalı kontrol olmak üzere temel iki başlık altında incelenebilir. Artık günümüzde loşlaştırmalı kontrolün aydınlatmada geleneksel kontrol yöntemi haline geldiği söylenebilir. Oransal kapalı çevrim kontrol yönteminin loşlaştırmalı kontrol yöntemleri arasında en sık uygulanan kontrol yöntemi olduğu görülmektedir. Bu yöntemde kullanılan ışık algılayıcılar genellikle tavana monte edilmektedir. Algılayıcının tavana yerleştirilmesiyle birlikte aslında doğrudan çalışma alanının aydınlatma düzeyinin ölçülmesi yerine, çalışma alanından yansıyan ışık şiddeti ölçülerek aydınlatma düzeyi ile algılayıcı işareti arasında doğru orantılı bir ilişki olduğu varsayımı yapılmaktadır. Hâlbuki çalışma alanı dışından yansıyan ışığın bu ilişkiyi bozma ihtimali çok yüksektir. Kablosuz algılayıcı ağları ve nesnelerin interneti teknolojilerinin yaygınlaşmasıyla, ışık algılayıcıların çalışma yüzeyine yerleştirilmesi daha pratik hale gelmiş ve bu alandaki çalışmaların sayısı artmıştır. Kablosuz ağlara bağlanabilen ışık algılayıcı sistemlerin dışında, kameralarla aydınlık düzeyinin ölçülmesine yönelik geliştirilen çözümler de mevcuttur. Ancak, bu yöntemlerin gerçek uygulamalarda başarılı bir şekilde çalışabilmesi için kameraların üzerinde ortam şartlarına uygun bir difüzör bulunmalı, kullanılan kameranın poz değeri, objektif hızı (enstantane) ve odak uzaklığı gibi değerlerinin yazılım tarafından kontrol edilebilmesi gerekmektedir. Günümüzde, neredeyse herkes cebinde düşük kapasiteli bir bilgisayar ve kablosuz algılayıcı noktası görevi görebilecek nitelikte en az bir cep telefonu taşımaktadır. Bu akıllı telefonlarda ekran parlaklığının otomatik olarak ayarlanabilmesi için mutlaka bir ortam ışığı algılayıcısı bulunmaktadır. Bu algılayıcı, aynı zamanda, çalışma alanı üzerinde bir noktaya koyulduğunda çalışma alanındaki aydınlatma düzeyi hakkında fikir verebilir. Aydınlatma düzeyine yönelik alınan ölçümler, telefonun bağlı olduğu kablosuz ağ üzerinden bir kontrol ünitesine gönderilerek; kontrol ünitesinde çalışan kontrolörün belirleyeceği armatür loşlaştırma oranları armatürlere elektrik sinyali olarak gönderilebilir. Kontrolör, istenen aydınlık düzeyini sağlarken armatürlerin toplam gücünü minimize edecek şekilde tasarlanırsa ofis aydınlatmasının temel amaçları sağlanırken enerji tasarrufu elde edilebilecektir. Bu yöntem sayesinde hem ışık algılayıcıların tavanda olduğu sistemlerin olumsuz yanları bertaraf edilecek, hem de çalışma alanlarına ayrı sensör yerleştirilmesine gerek kalmayacağı için kurulum maliyetleri düşecektir. Bu fikirden hareketle tez çalışmasında, ofis aydınlatma sistemleri için BP-BÇ tabanlı optimizasyon yöntemi içeren bir iç model kontrol yapısı önerilmiştir. Önerilen yöntemin test edilebilmesi için 8 adet armatürün bulunduğu bir odaya donanımsal altyapı hazırlanmıştır. MATLAB Simulink donanımsal destek paketi sayesinde, Simulink'te hazırlanan kontrol bloklarının rahatlıkla çalıştırılabilir olmasından dolayı, mikroişlemci yerine küçük bir bilgisayar olarak tanımlanabilecek Raspberry Pi 2 Model B geliştirme platformu tercih edilmiştir. Armatürlerin loşlaştırılabilir hale getirilmesi için Meanwell firmasının LCM-40-DA sürücüleri kullanılmıştır. Sürücüler ile Raspberry Pi arasındaki iletişimi sağlamak adına Adafruit firmasının 16 kanallı servo sürücüsü ve bu servo sürücüsünden çıkacak işaretleri kuvvetlendirmek amacıyla işaret kuvvetlendirici devre kullanılmıştır. Donanımsal altyapı hazırlanırken karşılaşılan sorunlar ve bunlara getirilen çözümler belirtilmiştir. Ardından, sistemin ve akıllı telefona ait ışık algılayıcısının modelleri çıkarılmıştır. Elde edilen modellerle önerilen kontrol yapısı güncellenmiştir. Daha sonra, bu kontrol yapısının gerçek zamanlı çalışabilmesi için Simulink üzerinde blok diyagramlar, sistem fonksiyonları ve MATLAB fonksiyonları oluşturulmuştur. Gerçek zamanlı testlerde elde edilen veriler, grafikler halinde sunulmuştur. Çalışmanın son kısmında; önerilen yöntem sayesinde elde edilebilecek tasarruf miktarları tartışılarak, yöntemin dezavantajlarının bertaraf edilebilmesi için öneriler sunulmuştur.