دانشجویان نوشیروانی در طی ۹ روز، شهر هوشمند ساختند
هدف از طراحی و ساخت پروژه شهر هوشمند، ارائه یک نمونه عملی و هوشمند از یک سیستم پایدار شهری یا کشاورزی مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر و فناوری‌های نوین کنترلی است. این پروژه با تکیه بر اصول فیزیکی، الکترونیک و اینترنت اشیاء (IoT) طراحی شد تا نشان دهد چگونه می‌توان با استفاده از منابع انرژی پاک (خورشید و باد)، مصرف انرژی را کاهش داده، فرآیندهای محیطی مانند آبیاری و تهویه را هوشمند کرد و هم‌زمان سیستم را از راه دور کنترل و نظارت نمود.
اعضای تیم شهر هوشمند
امیرمهدی سلیمانی، ابوالفضل کریمی و عرفان شهریار پور دانشجویان مقطع کارشناسی رشته فیزیک مهندسی ورودی سال ۱۴۰۲، علیرضا شمس دانشجوی مقطع کارشناسی مهندسی دریا ورودی ۱۴۰۳ و علیرضا مسمار مقطع کارشناسی مهندسی برق ورودی ۴۰۳.
قوانین فیزیکی این پروژه عبارت اند از:
۱. قانون بقای انرژی (تبدیل انرژی تجدیدپذیر)
پایه‌ی کل پروژه بر اساس قانون پایستگی انرژی است؛ انرژی از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود؛ اما از بین نمی‌رود.
در این پروژه:
انرژی خورشیدی → انرژی الکتریکی (پنل خورشیدی)
انرژی باد → انرژی الکتریکی (توربین بادی)
انرژی الکتریکی → به کار مکانیکی (پمپ، فن) و نوری (LED)
۲. اثر فوتوالکتریک (در پنل خورشیدی)
تابش نور خورشید بر سلول‌های خورشیدی باعث آزادسازی الکترون‌ها و ایجاد جریان الکتریکی می‌شود.
۳. قانون القای الکترومغناطیسی فاراده (در توربین بادی)
وقتی پره‌های توربین بچرخند و میدان مغناطیسی در سیم‌پیچ تغییر کند، در آن ولتاژ القا می‌شود.
۴. قانون اهم و مدارهای الکتریکی
۵. قانون پاسکال (در پمپ آب)
پمپ آب با استفاده از فشار، آب را در سیستم پخش می‌کند. بر اساس قانون پاسکال، فشار در مایع به‌صورت یکنواخت در تمام جهات منتقل می‌شود
۶. بازتاب امواج صوتی (در سنسور آلتراسونیک)
سنسور فاصله‌سنج با ارسال و دریافت امواج صوتی، سطح آب را اندازه‌گیری می‌کند.
۷. قانون انتقال گرما (در فن گلخانه)
در صورت افزایش دما، فن برای جابجایی گرما به‌کار می‌رود. فرآیند تهویه بر پایه‌ی همرفت صورت می‌گیرد.
۸. هدایت الکتریکی خاک (در سنسور رطوبت خاک)
سنسور با اندازه‌گیری مقاومت خاک، میزان رطوبت را تشخیص می‌دهد. هرچه خاک مرطوب‌تر باشد، هدایت الکتریکی بیشتر و مقاومت کمتر است.
۹. امواج الکترومغناطیسی (در بلوتوث)
ارتباط بین اپلیکیشن موبایل و آردوینو با استفاده از امواج بلوتوث انجام می‌شود، که نوعی موج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا است.
فرایند ساخت این دست‌سازه در چند مرحله کلیدی انجام شده که در ادامه به آن اشاره شد:
۱. برنامه‌ریزی و طراحی اولیه
در این مرحله نقشه شماتیک پروژه طراحی شد، شامل خانه، گلخانه، منابع انرژی (پنل خورشیدی و توربین بادی)
ابعاد دقیق ماکت و جانمایی تجهیزات الکترونیکی بررسی گردید.
لیست مواد و قطعات شامل چوب، آردوینو، سنسورها و پمپ آماده شد.
۲. ساخت سازه فیزیکی
اسکلت اصلی ماکت با چوب برش داده شد.
۳. نصب سیستم انرژی تجدیدپذیر
پنل خورشیدی: روی سقف خانه نصب شد تا نور خورشید را دریافت کند. خروجی آن به یک مبدل کاهنده ولتاژ (Buck Converter) متصل شد برای تنظیم ولتاژ به ۵ ولت.
توربین بادی: از توربین برای تولید انرژی و برق استفاده شد. خروجی آن پس از عبور از دیود یک‌طرفه، به باتری متصل شد. از دیود برای جلوگیری از بازگشت جریان استفاده شد.
۴. طراحی مدار کنترل و هوشمندسازی
برد آردوینو UNO: نقش واحد مرکزی سیستم را ایفا می‌کند. داده‌ها را از سنسورها می‌گیرد و به عملگرها فرمان می‌دهد.
اتصال ماژول‌ها: ماژول بلوتوث برای ارتباط با اپلیکیشن موبایل. سنسور رطوبت خاک به ورودی A0 متصل شد. سنسور دما و رطوبت به پین دیجیتال. سنسور آلتراسونیک برای سنجش سطح آب
اتصال عملگرها:
پمپ آب با رله به پین دیجیتال D7 وصل شد.
فن گلخانه و ال‌ای‌دی‌ها به پین‌های دیجیتال مجزا متصل شدند.
۵. نصب سیستم آبیاری و تهویه
مخزن آب کوچک در کنار گلخانه قرار گرفت.
پمپ آب به مخزن و به سیستم لوله‌کشی باریک متصل شد.
شلنگ‌ها در خاک اطراف گیاه برای پخش یکنواخت آب نصب شد.
فن برای خنک‌سازی محیط گلخانه در صورت افزایش دما به‌کار رفت.
۶. توسعه سیستم کنترل از راه دور
یک اپلیکیشن موبایل طراحی شد که با بلوتوث به آردوینو متصل می‌شود.
کاربر از طریق اپ می‌تواند:
رطوبت خاک را مشاهده کند
پمپ آب، فن، ال‌ای‌دی‌ها را روشن/خاموش کند
داده‌ها به صورت لحظه‌ای بین گوشی و آردوینو رد و بدل می‌شوند.
۷. تست، راه‌اندازی و نهایی‌سازی
برنامه آردوینو با نرم‌افزار Arduino IDE آپلود شد. تمام اجزا به صورت جداگانه و سپس یکپارچه تست شدند. سیم‌کشی‌ها مرتب‌سازی شدند. داده
های زنده روی نمایشگر ساده یا موبایل نمایش داده شد.
شایان ذکر است مدت زمان اجرای پروژه 9 روز بود و این دست سازه در ششمین دوره مسابقات دست ساخت های فیزیک موفق به کسب مقام اول شد.
